Что такое осевая сила – определение осевой силы, схема, формула (уравнение) и как ее рассчитать?

Винты и болты используются во всех видах машин, зданий и сооружений. При соединении деталей с резьбовыми частями или при креплении детали к другой детали с помощью болтов крутящий момент применяется для вращения и затягивания деталей или болтов. В это время сила в осевом направлении, которая предотвращает разделение деталей и частей, называется «осевой силой». Таким образом, чтобы предотвратить ослабление винтов, важно правильно управлять осевой силой при затягивании винтов. Осевая сила прижимает детали вместе в осевом направлении, чтобы предотвратить их разделение. Правильное управление осевой силой важно для предотвращения ослабления винтов. В этой статье мы объясним тем из вас, кто обеспокоен осевой силой на крепеже и механизмами, стоящими за ней. Мы надеемся, что это руководство по осевой силе поможет оптимизировать выбор продукта на этапе проектирования, а также даст советы по повышению эффективности ежедневных проверок и работ по техническому обслуживанию.

Винты являются важным компонентом, используемым на всех видах производственных площадок и их продукции, не только в транспортных средствах, железных дорогах и самолетах, но и в зданиях, таких как дома и мосты, и даже в смартфонах в ваших руках. Одна проблема с винтом или болтом может даже спровоцировать серьезную аварию. Ослабление винта относится к «состоянию, когда осевое усилие уменьшилось с момента его затягивания».

Связанные Чтение:

Что такое радиальная сила – Определение радиальной силы, Формула (уравнение), Тест, Радиальная и осевая сила

Таблица размеров направляющих отверстий для шурупов и болтов по металлу, дереву, гайкам и болтам

Что такое Осевой FОрсе?

Осевое усилие относится к «силе растяжения», возникающей, когда растянутый болт реагирует и пытается вернуться в исходное положение при затягивании. 

При затягивании болтов и гаек, как показано на рисунке 1, соединяемые детали сжимаются и создается сжимающее усилие, а болт тянется и на него действует растягивающее усилие. Это растягивающее усилие называется осевым усилием. Болт и гайка препятствуют усилию, ослабляющему резьбу, с помощью осевого усилия, создающего трение между посадочными поверхностями и резьбовыми поверхностями. С другой стороны, если осевое усилие уменьшается и трение между посадочными и резьбовыми поверхностями становится небольшим, преобладает усилие, ослабляющее резьбу, и происходит ослабление резьбы.

В случае высокоточной затяжки болтов сложно поддерживать постоянное осевое усилие на болте только за счет контроля крутящего момента, так как на него влияют изменения коэффициентов трения болтов и посадочных поверхностей. В результате, даже при одинаковом значении крутящего момента, будут иметь место изменения осевого усилия болтов.

Однако, с помощью метода контроля осевой силы, который использует натяжитель болта или гидравлическую гайку для приложения растягивающей нагрузки к болту во время затяжки, влияние трения может быть устранено, и осевая сила болта может контролироваться напрямую. Кроме того, не возникают крутильные напряжения.

Диаграмма осевой силы

Диаграмма осевых сил — это тип диаграммы свободного тела, которая иллюстрирует внутренние осевые силы (растяжения и сжатия), действующие внутри конструктивного элемента, такого как балка, ферменный элемент, вал и т. д. 

Некоторые ключевые моменты относительно диаграмм осевых сил:

• Они вычерчиваются после анализа внешних нагрузок и реакций на элемент конструкции с использованием схемы свободного тела.
• Элемент конструкции делится на секции в точках, где силы изменяют величину.
• Осевые силы изображены в виде стрелок вдоль оси каждой секции, показывая, находится ли она в состоянии растяжения (тяги) или сжатия (толкания).
• Направления стрелок должны соответствовать направлению внешних сил согласно основным принципам механики.
• Величина сил обычно пропорциональна длине стрел.
• Силы на границах между сечениями уравновешиваются по закону действия и противодействия.
• Они помогают визуализировать и рассчитать внутренние напряжения, возникающие в элементе под действием внешних нагрузок.
• Инженеры используют диаграммы осевых сил для проектирования конструкций, проверки их прочности и устойчивости к разрушению.

Вот основные шаги для построения диаграммы осевой силы:

1. Нарисуйте схему свободного тела анализируемого объекта или структуры. Включите все соответствующие внешние силы, действующие на него, такие как нагрузки, реакции и т. д.
2. Разбейте тело на части в точках, где изменяются внутренние силы, например, в точках приложения нагрузок или реакций.
3. Запишите внутренние осевые силы (растяжения или сжатия), действующие на каждое сечение. Силы действуют коллинеарно вдоль продольной оси каждого сечения.
4. Нарисуйте силы в виде стрелок, действующих на границе каждого сечения. Направление стрелки указывает, является ли это растягивающей (тянущей) или сжимающей (толкающей) силой.
5. Убедитесь, что направления стрелок соответствуют внешним силам. Например, если груз давит вниз, внутренняя сила прямо под ним будет сжимающей.
6. Сумма всех осевых сил на границе сечения должна быть равна нулю на основании закона действий и реакций.
7. Четко обозначьте все силы. Обычно используются обозначения T для растяжения и C для сжатия.
8. Размеры стрелок следует выбирать пропорционально величине сил.
9. При необходимости добавьте примечания, чтобы четко изложить предположения и направление позитивных сил.

Выполнение этих шагов поможет вам систематически построить точную диаграмму осевых сил для конструктивного элемента, который вы хотите проанализировать.

Момент затяжки против Осевая сила

С другой стороны, в процессе сборки управление моментом затяжки и управление углом затяжки являются методами управления правильностью сборки деталей или болтов. Затяжка с контролем угла называется «угловой затяжкой». Так что же такое крутящий момент? В механике крутящий момент — это момент силы вокруг фиксированной оси вращения. Однако при затягивании винтов рассмотрим случай, когда шестигранная гайка используется для закрепления шестигранного болта, пропущенного через закрепляемый объект. Затяните гаечным ключом, используя центр болта в качестве оси вращения, но вам придется поворачивать гаечный ключ вокруг и вокруг. Момент силы, возникающий во время этого вращения, является крутящим моментом. Другими словами, крутящий момент затяжки — это крутящий момент (сила в направлении вращения), который прикладывается к головке гайки или болта во время затяжки. Если осевое усилие не находится в соответствующем диапазоне, это может привести к ослаблению или повреждению закрепленных деталей, поэтому важно ежедневно надлежащим образом управлять моментом затяжки и осевым усилием.

Теперь, как нам найти необходимый момент затяжки, чтобы управлять соответствующим осевым усилием? Вы можете найти его, используя простую формулу расчета ниже.

Установка осевой силы и трения

В конструкции соединения оно должно быть спроектировано так, чтобы выдерживать внешние силы, которые пытаются разъединить. При затягивании болта состояние затяжки поддерживается осевой силой F2 против осевой внешней силы F1, которая ослабляет болт. При F2> F1 ослабление исключается, но в качестве настройки осевой силы задается коэффициент безопасности α и F3 = αxF2.

В расчетах момент затяжки T3 и осевое усилие затяжки F3 становятся простым преобразованием, но при фактическом затягивании и ослаблении важным является трение болтовой части и поверхности седла. Если трение болтовой части и поверхности седла больше ожидаемого во время вращения затяжки, требуется крутящий момент выше установленного, а если трение болтовой части и поверхности седла меньше ожидаемого во время вращения ослабления, он будет ослаблен с крутящим моментом ниже установленного. Другими словами, даже при одинаковом крутящем моменте затяжки разные осевые силы означают, что он может ослабнуть под нагрузкой ниже ожидаемой, даже если затянут с указанным крутящим моментом.

Aхиал FОрсе Control: Момент Tорк Cконтроль и Tпросвещение Angle Control

Поскольку сопротивление разделению в конечном итоге является осевой силой, то в контроле качества при сборочном производстве важно гарантировать осевую силу. Контроль момента затяжки может применяться, если трение может стабильно контролироваться с низким влиянием изменчивости, и существует достаточная корреляция с осевой силой.

Существует два метода контроля осевого усилия. Один из них заключается в измерении осевого усилия, а другой — в угловой затяжке.

При угловой затяжке угол затяжки используется в качестве опорного значения в процессе затяжки. Также подтверждается, что крутящие моменты затяжки при нескольких угловых (вращательных) положениях находятся в определенном диапазоне (окне) одновременно. Если корреляция между углом затяжки и крутящим моментом может быть достигнута в предполагаемом диапазоне, это означает, что трение также контролируется должным образом. Это, в свою очередь, означает, что осевая сила контролируется должным образом.

При угловой затяжке «угловая затяжка пластической зоны» позволяет снизить изменчивость осевой силы и получить большую осевую силу. Этот метод сначала затягивает болт до предела текучести резьбы, затем затягивает до указанного угла. Однако при этом происходит пластическая деформация, поэтому тот же болт нельзя использовать повторно тем же способом.

Aхиал FОрсе Formula & Equation

Осевое усилие (усилие растяжения), создаваемое в болте при затягивании, должно составлять 70% или менее от предела текучести материала болта. Необходимо обеспечить, чтобы надлежащее осевое усилие, создаваемое в болте при затягивании, никогда не превышало допустимого значения, которое является пределом текучести. Предположим, вы затягиваете болт гаечным ключом, который слишком велик для размера болта. Если осевое усилие, создаваемое при затягивании болта, превысит допустимое значение, резьбовая часть будет царапаться, или болт станет резьбовым и сломается. Поэтому нам нужно рассчитать соответствующее осевое усилие!

Расчетная таблица для определения величины осевого усилия, возникающего при затягивании болта с определенным крутящим моментом.

Простая формула и уравнение осевой силы выглядят следующим образом:

• Осевая сила: F=T/(k・d)
• Крутящий момент: T=kFd
• F: Осевая сила, приложенная к болту [Н]
• T: Крутящий момент, приложенный к болту [Н・м]
• k: Коэффициент крутящего момента (например, 0.2)
• d: Диаметр болта (номинальный диаметр) [м]

Вывод простой формулы расчета

Для безопасной затяжки болтов необходимо достаточное начальное усилие предварительной нагрузки Ff и соответствующий момент затяжки T. Поэтому важно понимать взаимосвязь между осевой силой Ff и моментом затяжки T, а также различные факторы, влияющие на эту взаимосвязь.

Исходя из этого, мы начнем с понимания принципа крутящего момента T. Крутящий момент относится к «крутящему моменту», который действует вокруг оси вращения как центра вращения, а величина получается путем умножения силы и расстояния от оси вращения до центра. Другими словами, когда работа по затягиванию выполняется с использованием динамометрического ключа или другого инструмента для затягивания, крутящий момент является произведением приложенной силы и расстояния от центра вращения. Болт тянется в осевом направлении горизонтальной вращательной силой/крутящим моментом, создавая осевое усилие.

Расчет осевой силы. Как рассчитать осевую силу?

Мы думаем, что теперь вы полностью понимаете простую формулу осевой силы, поэтому давайте теперь вычислим некоторые осевые силы.

Мы рассчитаем две осевые силы:

• Начальное осевое усилие предварительного натяжения (далее именуемое осевым усилием предварительного натяжения) – это величина осевого усилия, возникающего при затягивании болта с определенным моментом затяжки.
• Предел текучести осевого усилия – это величина осевого усилия, действующего на болт, которое приводит к тому, что напряжение (поиск), возникающее при затягивании болта, превышает предел текучести (поиск) материала болта.

Как для фрикционных, так и для упругих соединений более прочное соединение может быть достигнуто при большем осевом усилии, если только посадочное место болта не утонет. Поэтому мы обычно стараемся устанавливать момент затяжки так, чтобы прилагать осевое усилие как можно ближе к 2) осевому усилию предварительного натяжения на пределе текучести, но не превышать его.

Как рассчитать начальную осевую силу предварительной нагрузки?

Существуют сложные и простые формулы расчета, но мы будем использовать простую и практичную формулу расчета.

Пусть F(N) — осевая сила, создаваемая болтом, T(Nm) — момент затяжки, а d(m) — номинальный диаметр болта. Тогда:

Т = F × d × K (Нм)

Теперь мы хотим определить осевую силу F по моменту затяжки, поэтому:

Ф = Т/д/К

Здесь K — коэффициент крутящего момента, который определяется коэффициентом трения резьбовой части и посадочной поверхности и эффективным радиусом трения посадочной поверхности. Коэффициент трения также меняется в зависимости от состояния смазки. На практике для определения значения коэффициента крутящего момента фактически измеряется осевая сила, но сейчас мы рассчитаем, используя следующие общие значения:

Значения коэффициента крутящего момента К для каждого условия смазки:

• Без смазки: 0.3~0.4
• Масло: 0.15~0.25
• Воск: 0.1~0.2

Это лишь общие значения, поэтому необходимы фактические измерения.

Как рассчитать осевое усилие затяжки на пределе текучести?

Осевое усилие затяжки Fy рассчитывается по следующей формуле:

Пусть осевая сила затяжки текучести равна Fy,

• Fy = σy・As / (1+3{3/dAS×(P/2/π+0.577×μth×d2)}^2)

Здесь σy — предел текучести материала болта (Па), As — эффективная площадь поперечного сечения резьбовой части (м²), dAS — эквивалентный диаметр эффективной площади поперечного сечения резьбовой части (м), P — шаг винта (м), μth — коэффициент трения резьбовой части, d2 — эффективный диаметр винта (м).

Из этой формулы следует, что если осевая сила превысит это значение, весь болт выйдет из строя.

Важно отметить, что даже ниже этого предела текучести осевого усилия затяжки поверхность болта уже деформировалась.

Для расчета осевого усилия затяжки на пределе текучести требуется коэффициент трения резьбовой части, но его невозможно определить без знания состояния смазки, поэтому мы будем производить расчет, используя следующие общие значения.

Значения коэффициента трения резьбовой части μth

• Без смазки: от 0.21 до 0.28
• Масло: от 0.10 до 0.18
• Воск: от 0.06 до 0.14

Кроме того, мы не можем произвести расчет, не зная предела текучести σy материала болта.

Как рассчитать осевую силу пятна?

Расчет осевой силы на болт обычно включает определение величины предварительной нагрузки, приложенной к болту во время установки, и любых дополнительных сил, приложенных, когда болтовое соединение подвергается внешним нагрузкам. Вот шаги для расчета осевой силы на болт:

• Начальная предварительная нагрузка: Когда болт затягивается, он слегка растягивается, и это натяжение создает зажимную силу, которая удерживает соединение вместе. Эта начальная сила известна как предварительная нагрузка, и она обычно указывается производителем или определяется крутящим моментом, применяемым при затягивании болта.
• Соотношение крутящего момента и предварительной нагрузки: Если предварительная нагрузка не указана напрямую, ее можно оценить по крутящему моменту, приложенному к болту, используя следующее соотношение:

Это уравнение является упрощенным представлением и предполагает, что весь крутящий момент идет на растяжение болта, что не совсем точно, поскольку часть крутящего момента также теряется на преодоление трения.

• Внешние нагрузки: Если болтовое соединение подвергается воздействию внешних сил, эти силы будут либо добавляться к предварительной нагрузке, либо вычитаться из нее. Общая осевая сила на болте может увеличиться до точки, где она сравняется с пределом текучести материала болта, что может привести к поломке болта.
• Рассчитать общую осевую силу: Если предположить, что предварительная нагрузка определена и вы знаете внешнюю осевую нагрузку, приложенную к соединению, то общая осевая сила, действующая на болт в любой момент времени, составляет:

• Фактор деформации суставов: На практике, когда к соединению прикладываются внешние нагрузки, часть нагрузки может поглощаться деформацией компонентов соединения, тем самым уменьшая нагрузку на болт. Этот аспект часто анализируется с помощью диаграммы соединения, которая отображает силу болта против сжатия соединения.
• Вопросы безопасности и усталости: Чтобы обеспечить надежность болтового соединения, важно учитывать как коэффициент запаса прочности при статической перегрузке, так и усталостную долговечность болта. Общая осевая сила не должна превышать предел текучести болта, деленный на желаемый коэффициент запаса прочности. Кроме того, циклические нагрузки могут привести к усталостному разрушению, даже если сила ниже предела текучести, поэтому флуктуационную осевую силу также необходимо проанализировать на предмет усталости.