Прочность болта на сдвиг — это максимальная боковая сила, которую болт может выдержать до разрушения по поперечному сечению.
Неправильный расчет прочности болтов на сдвиг может привести к отказу крепежа. Это приводит к повреждениям и даже опасным авариям.
В этой статье описывается определение прочности болтов на сдвиг, методы расчета и выбор класса болта для конкретной нагрузки в соединении.
Что такое прочность болта на сдвиг?
Сила, действующая на болт, соединяющий две детали, которая стремится вызвать их взаимное скольжение, воспринимается как сдвиг.
При сдвиге нагрузка прикладывается перпендикулярно оси болта, в отличие от растяжения, где нагрузка прикладывается параллельно оси болта.
Для большинства болтов нет указанной прочности на сдвиг. Прочность болта на сдвиг рассчитывается из предел прочности на растяжение болта с использованием общеизвестного соотношения.
Используя общепринятое уравнение, соответствующее спецификациям AISC и Eurocode 3, соотношение сдвига к минимальной предельной прочности на растяжение установлено примерно на уровне 60%.
Прочность на сдвиг против прочности на растяжение: ключевые различия
Эти два типа прочности измеряют различные способы разрушения.
Прочность на растяжение измеряет сопротивление болта разрыву под действием осевого растягивающего напряжения. Между тем, прочность на сдвиг измеряет сопротивление сдвиговому деформированию стержня болта.
Оба значения важны, но в различных конфигурациях соединений. Фланец болтового соединения под внутренним давлением нагружает болты на растяжение.
Нахлесточное соединение или кронштейн, прикрепленный к балке, нагружает болты на сдвиг. Многие реальные сборки сочетают оба типа нагрузки, поэтому инженеры используют формулы взаимодействия при комбинированной нагрузке.
Для целей закупок основным справочным документом является таблица прочности болтов на растяжение. Прочность на сдвиг затем выводится из этого значения, а не указывается отдельно в большинстве технических спецификаций болтов.
Прочность болта на сдвиг по классам
Таблица ниже показывает минимальную прочность на растяжение, выведенную прочность на сдвиг и типичные области применения для распространенных метрических и имперских классов болтов. Значения сдвига рассчитываются как 60 процентов от минимальной прочности на растяжение.
| Оценка | Стандарт | Мин. Прочность на растяжение (МПа) | Выведенная прочность на сдвиг (МПа) | Типичное использование |
|---|---|---|---|---|
| 4.8 | ISO 898-1 | 420 | 252 | Легкие конструкции, общая сборка |
| 8.8 | ISO 898-1 | 800 | 480 | Конструкционная сталь, машины |
| 10.9 | ISO 898-1 | 1040 | 624 | Автомобильная промышленность, тяжелая техника |
| 12.9 | ISO 898-1 | 1220 | 732 | Высоконагруженные, прецизионные сборки |
| Класс 5 | SAE J429 | 827 | 496 | Общее промышленное применение, имперские |
| Класс прочности 8 | SAE J429 | 1034 | 620 | Конструкционные элементы, трансмиссия, высокие нагрузки |
| A325 | ASTM F3125 | 827 | 496 | Соединения конструкционной стали |
| A490 | ASTM F3125 | 1034 | 620 | Тяжелые конструкции, мосты |
Эта таблица прочности болтов охватывает классы, наиболее часто используемые в промышленных и строительных применениях.
Для получения более подробной таблицы прочности болтов на растяжение для всех размеров и подклассов обратитесь к ISO 898-1 для метрических и ASTM F3125 для имперских конструкционных классов.
Как рассчитать прочность болта на сдвиг
Основная формула для расчета прочности болта на одиночный сдвиг:
Прочность на сдвиг = 0,6 x Fub x As
Где Fub — минимальная предельная прочность на растяжение в МПа, а As — площадь сечения болта под напряжением в квадратных миллиметрах.
Пример
Болт M16 класса 10.9 имеет площадь сечения под напряжением 157 мм² и минимальную прочность на растяжение 1040 МПа.
Прочность на сдвиг = 0,6 x 1040 x 157 = 97 968 Н, примерно 98 кН на болт.
Эта цифра представляет собой теоретическую несущую способность одного болта на одинарный сдвиг до применения какого-либо коэффициента безопасности.
В строительном проектировании Eurocode 3 применяет частичный коэффициент безопасности 1,25. Это снижает расчетное сопротивление сдвигу примерно до 78 кН для этого болта на практике.
Для имперских болтов применяется та же формула с использованием предела прочности на растяжение в фунтах на квадратный дюйм (psi) и площади сечения на растяжение в квадратных дюймах.
Болт 1/2 дюйма класса 8 с площадью сечения на растяжение 0,1419 дюйм² и пределом прочности на растяжение 150 000 psi дает несущую способность на одинарный сдвиг примерно 0,6 x 150 000 x 0,1419 = 12 771 фунт-силы. Это примерно 12,8 кип.
Одиночный сдвиг против двойного сдвига
Количество плоскостей сдвига в соединении значительно изменяет эффективную несущую способность каждого болта.
Одиночный сдвиг
В соединении с одинарным сдвигом болт пересекает одну плоскость сдвига. Простой нахлесточный стык, где две пластины перекрываются и соединяются болтами, является типичной конфигурацией одинарного сдвига. Каждый болт воспринимает полную приложенную нагрузку поперек одного сечения.
Двойной сдвиг
В соединении с двойным сдвигом болт проходит через три пластины: один внутренний и два наружных элемента.
Это создает две плоскости сдвига, и болт воспринимает нагрузку поперек двух сечений одновременно. Это фактически удваивает несущую способность болта на сдвиг при том же диаметре и классе болта.
Соединения с косынками, шарнирные соединения и некоторые соединения балок с колоннами используют конфигурации двойного сдвига для уменьшения количества болтов или использования крепежных элементов меньшего диаметра. При расчете несущей способности для двойного сдвига умножьте значение одинарного сдвига на два.
Как выбрать правильный класс болта для нагрузок на сдвиг
- Этот болт ступицы колеса класса 10.9 изготовлен из высокопрочной стали 40Cr или 35CrMo с черным оксидным покрытием, обеспечивающим превосходную коррозионную стойкость и прочность.
Выбор класса начинается с расчета расчетной нагрузки на сдвиг на болт, а затем сопоставления ее с классом, который обеспечивает достаточную несущую способность с учетом требуемого коэффициента безопасности.
Несколько практических рекомендаций помогут сузить выбор:
Для общих соединений конструкционной стали по AISC стандартными являются болты A325 или A490. A490 подходит для соединений с более высокой нагрузкой, где A325 потребовал бы большего количества болтов.
Для метрических конструкционных применений по Eurocode 3 класс 8.8 охватывает большинство стандартных соединений. Класс 10.9 используется там, где геометрия соединения ограничивает количество или диаметр болтов.
Для автомобильная промышленность и прецизионное машиностроение, высокопрочные болты класса 10.9 или 12.9 выдерживают вибрационные нагрузки. Именно здесь более низкие классы потребовали бы более строгого контроля крутящего момента или фиксирующих элементов для предотвращения ослабления.
Материал имеет значение помимо номера класса. Высокопрочные болты из дуплексной нержавеющей стали или легированной стали специфицируются там, где коррозионная стойкость и несущая способность на сдвиг должны быть удовлетворены. Это особенно актуально для морских, химических и энергетических применений.
CNXD поставляет высокопрочные болты от класса 8.8 до 12.9 из углеродистой стали, легированной стали и специальных сплавов. Это имеет документацию по качеству IATF 16949 и полную прослеживаемость материалов.
Также доступны нестандартные размеры и нестандартные формы резьбы. Свяжитесь с CNXD, чтобы запросить образцы для оценки в нагруженных применениях.
