БОЛТ Российский патент 1996 года по МПК F16B35/04 

Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано в соединениях, работающих при циклических нагрузках.

Известен болт, содержащий головку и стержень с резьбой [1] При затяжке возникают растягивающие напряжения, резкое увеличение которых отмечается в районе концентратора под головкой болта. При циклическом характере нагружения в районе концентратора зарождается усталостная трещина, приводящая к преждевременному разрушению детали и сокращению срока службы всего узла, включающего данное резьбовое соединение.

Изобретение решает задачу увеличения долговечности резьбового соединения путем снижения концентрации напряжений в опасной зоне под головкой болта с помощью снижения жесткости головки.

Снизить жесткость головки можно, например, с помощью выточки специального профиля, выполняемой под головкой болта. Выточка имеет плавные очертания и выполняется в месте перехода стержня болта в головку [2]
Этой же цели можно достичь с помощью более простой выточки, имеющей трапециевидную форму, выполненной на опорной поверхности под головкой болта [3]
Однако в этих конструкциях при выполнении выточки происходит повреждение опасной зоны болта, нарушение чистоты поверхности, возникают остаточные напряжения, что вызывает необходимость дополнительных технологических мероприятий.

Наиболее близким к предлагаемому является болт, имеющий отверстие в головке. Ось отверстия совпадает с осью болта. В данное отверстие запрессована с натягом вставка с отверстием "под ключ". Выполненные на поверхности вставки продольные зубья предназначены для скрепления вставки с болтом и передачи усилия с ключа на болт [4]
Таким образом решается задача увеличения прочности головки болта при статическом нагружении, возникающем при завинчивании болта с помощью ключа, имеющего головку шестигранной формы, помещаемую в соответствующее отверстие вставки. При этом отверстие в головке болта ослабляет ее, так как продольные зубья и коническое дно, образованное при обычном сверлении отверстия, в месте контакта с нижним опорным торцом вставки являются концентраторами напряжения и снижают усталостную прочность головки болта и всего соединения в целом.

Чтобы избежать конструктивных и технологических недостатков элементов, перечисленных выше, предлагается снизить напряжения путем создания напряжений сжатия в зоне концентратора напряжений, не ослабляя при этом головку болта.

Это достигается тем, что болте, содержащем стержень и головку с высверленным в ней отверстием, ось которого совпадает с осью болта, запрессована с натягом вставка, выполненная в виде сплошной заглушки. Дно отверстия, полученного с помощью обычного сверления, имеет угол при вершине 60-70^о. Чтобы вставка наиболее плотно заполняла образованную после сверления полость в головке болта, эта вставка имеет конический участок со стороны опорного торца, а разность участок при вершине конического дна и конического участка вставки находится в пределах
α β 0025 α где α угол при вершине конического дна отверстия;
β угол при вершине конического участка вставки.

При этом в зоне контакта вставки и болта возникают сжимающие контактные напряжения, вследствие чего уменьшаются растягивающие напряжения в опасной зоне и долговечность болта увеличивается.

На фиг. 1 изображен болт с одинаковым углом наклона конического дна и конического участка вставки; на фиг. 2 то же с разным углом наклона конического дна и конического участка вставки.

Болт содержит стержень 1, головку 2 болта и запрессованную в нее вставку 3. Зона повышенных растягивающих напряжений, величина которых определяется коэффициентом концентрации, зависящей от формы переходного участка между стержнем 1 болта и головкой 2, располагается вблизи от поверхности головки, причем по мере удаления от концентратора максимальные растягивающие напряжения меняют свое направление от осевого σ_z на направление, близкое к радиальному σ_r Напряженное состояние по элементарным площадкам при переходе стержня в головку болта показано на фиг. 1. Возникающие между вставкой и болтом радиальные напряжения сжатия σIr

приводят к снижению суммарных растягивающих напряжений в головке болта
σ _rΣ σ_r σIr и снижают опасное напряжение в концентраторе σ_z под головкой болта. При этом дно отверстия под вставку выполняется коническим с углом при вершине, близким к стандартному углу заточки сверла или немного больше его (60-70^о).

Абсолютно плотное прилегание конического участка вставки к дну отверстия необязательно. Разность угла β конуса при вершине вставки и угла α при вершине конического дна отверстия должна быть в пределах α β 0-1,7^о (фиг. 2), но не более 0,025 от минимального значения угла α Диаметр головки болта D_б должен быть в два раза больше диаметра вставки, а натяг должен составлять (0001-0,003)D_б. Глубина сверления по образующей должна быть не менее половины высоты болта. Такие геометрические параметры болта обеспечивают снижение теоретического коэффициента концентрации напряжения на 15-20% что позволяет получить увеличение долговечности болта не менее чем в 2 раза. При этом конструкция болта в зоне концентратора остается неизменной.

Использование: для крепления деталей, работающих при циклических нагрузках. Сущность изобретения: болт содержит стержень с головкой. В головке выполнено осевое отверстие. В отверстии с натягом установлена сплошная заглушка. Угол при вершине конического дна отверстия равен 60 - 70^o. Разность углов при вершине конического дна и конического участка заглушки находится в пределах α-β = 0-0,025α, где α - угол при вершине конического дна отверстия; b - угол при вершине конического участка заглушки. Болт обеспечивает снижение коэффициента концентрации напряжений и увеличивает долговечность. 2 ил.

БОЛТ, содержащий стержень с головкой, в осевом отверстии которой запрессована с натягом вставка, при этом отверстие в головке выполнено цилиндрическим с коническим дном, а вставка имеет конический участок со стороны опорного торца, отличающийся тем, что вставка выполнена в виде сплошной заглушки, угол α при вершине конического дна отверстия равен 60 - 70^o, а разность углов при вершине конического дна и конического участка вставки находится в пределах
a-β = 0-0,025α,
где β - угол при вершине конического участка вставки.