Wie berechnet man die Scherfestigkeit einer Schraube?

Die Scherfestigkeit einer Schraube bezieht sich auf ihre Fähigkeit, einer maximalen Scherkraft zu widerstehen, ohne zu brechen, wenn sie einer äußeren Seitenkraft ausgesetzt ist. Wir können die Berechnungsmethode, Normen und einige spezifische Werte der Scherfestigkeit von Schrauben verstehen.

Erstens lautet die Formel zur Berechnung der Scherfestigkeit von Schrauben W=P/F=P/ab, wobei P die Bruchlast (N), F die Überlappungsfläche (cm^2), a die Länge der Überlappung (cm) und b die Breite der Überlappung (cm) ist. Daraus ergibt sich, dass die Scherfestigkeit der Schraube von ihrer Größe und Form abhängt. Durch Messung dieser Parameter und Anwendung der obigen Formel kann die Scherfestigkeit der Schraube berechnet werden.

Zweitens hängt die Scherfestigkeit einer Schraube auch von ihrer Werkstoffklasse ab. So hat beispielsweise eine Schraube der Güteklasse 4.8 eine Scherfestigkeit, die etwa der Hälfte ihrer Zugfestigkeit entspricht, während eine Schraube der Güteklasse 12.9 eine Scherfestigkeit von 900 MPa aufweist. Dies bedeutet, dass Schrauben verschiedener Güteklassen unterschiedliche Scherfestigkeitsstandards haben.

Darüber hinaus wird der Bemessungswert der Schraubenscherfestigkeit anhand statistischer Daten aus Verbindungstests ermittelt, was bedeutet, dass die tatsächliche Scherfestigkeit von Schrauben in der Praxis je nach spezifischen Bedingungen und Testergebnissen variieren kann.

Welche Methoden gibt es zur Berechnung der Scherfestigkeit von Schrauben?

Zu den Berechnungsmethoden für die Scherfestigkeit von Schrauben gehören hauptsächlich die Finite-Elemente-Analyse und experimentelle Prüfungen.

Finite-Elemente-Analyse ist eine Methode zur Vorhersage des Verhaltens von Materialien oder Strukturen unter Krafteinwirkung durch die Erstellung eines mathematischen Modells. Sie kann das Scherverhalten von Schrauben ohne tatsächliche Zerstörung bewerten. Diese Methode kann bei der Auslegung und Optimierung bestimmter Schraubentypen wie Blindschrauben eingesetzt werden, indem das Widerstandsverhalten von Schrauben unter reiner Scherkraft simuliert wird, um ihre Tragfähigkeit zu untersuchen.

Die experimentelle Prüfung bewertet durch tatsächliche Belastung und Beobachtung der Versagensart der Schraube, die die tatsächliche Scherfestigkeit der Schraube direkt widerspiegeln kann.

Die Anwendungsszenarien für diese beiden Methoden haben jeweils ihre eigenen Schwerpunkte. Die Finite-Elemente-Analyse eignet sich für die frühe Phase der Schraubenkonstruktion, in der die Auswirkungen verschiedener Konstruktionsschemata auf das Scherverhalten von Schrauben bewertet werden müssen, sowie für die Vorhersage und Optimierung des Schraubenverhaltens während des Konstruktionsprozesses.

Experimentelle Prüfungen werden häufiger in der späteren Phase der Produktentwicklung durchgeführt, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Entwurfs zu überprüfen und sicherzustellen, dass das Schraubenprodukt die Leistungsanforderungen in der Praxis erfüllen kann.

Schraubenverbindung unter Betriebsschubkraft

Wie in Abbildung 1-8 dargestellt, wird bei dieser Verbindung ein Bolzen verwendet, um der Arbeitslast F durch ein gestanztes Loch zu widerstehen. Unter der Annahme, dass jede Schraube die gleiche Arbeitslast aufnimmt, ist die von jeder Schraube aufgenommene Scherkraft F.

Daher ist die Druckfestigkeit zwischen der Bolzenstange und der Lochwand gegeben:

Die Bedingungen für die Scherfestigkeit von Bolzen sind:

In der Formel:

F steht für die auf die Schraube ausgeübte Betriebsschubkraft in Newton;

d₀ steht für den Durchmesser der Scherfläche des Bolzens, der als Durchmesser des Bolzenlochs angesehen werden kann, in Millimetern;

[τ] steht für die zulässige Scherfestigkeit des Gewindes in MPa für Stahl

Wo:

[S]_τ ist der Sicherheitsfaktor gemäß Tabelle 1-9;

L_min steht für die Mindesthöhe der von der Lochwand gequetschten Bolzenstange in Millimetern.

Während des Entwurfs wird L_min sollte größer oder gleich 1,25d sein; i steht für die Anzahl der Scherflächen an der Schraubenstange. In Abbildung 1-1b ist i=2 und in Abbildung 1-8 ist i=1.

Die erforderliche Scherspannung für Schrauben wird in der Regel mit 60 MPa angegeben.

Einstellung der Scherfestigkeit von Schrauben je nach Betriebsbedingungen

In der Praxis kann die Anpassung der Scherfestigkeit von Schrauben an bestimmte Anforderungen, die sich aus den Einsatzbedingungen ergeben, auf verschiedene Weise erreicht werden:

Wählen Sie den passenden Schraubentyp: Je nach Verwendungszweck können Sie sich für hochfeste Schrauben oder normale Schrauben entscheiden. Hochfeste Schrauben eignen sich für die Verbindung wichtiger Strukturen wie Brücken und Stahlkonstruktionen, bei denen die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Verbindungen gewährleistet sein muss. Gewöhnliche Schrauben werden eher für allgemeine mechanische Geräte und Möbel verwendet.

Berechnen Sie die Scherspannung der Schraube: Vereinfacht aus der Formel F = A × (F / A) entspricht die Scherkraft der Schraube der Kraft, der die Schraube ausgesetzt ist. Dieser Schritt hilft dabei, die maximale Scherkraft zu verstehen, die eine Schraube unter einer bestimmten Last aushalten kann, und bietet eine Grundlage für die spätere Auswahl.

Berücksichtigen Sie die Verformbarkeit des Bolzens: Um das Problem der unzureichenden Verformbarkeit von Bolzen-Schubverbindern zu lösen, können Schubverbinder mit hoher Verformbarkeit verwendet werden, um ihre Leistung zu verbessern. Diese Konstruktion kann die Anpassungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Schraube verbessern, ohne dass die Festigkeit darunter leidet.

Passen Sie den Sicherheitsfaktor an: Je nach der Festigkeit der Schraube und den voraussichtlichen Einsatzbedingungen sollte der Sicherheitsfaktor entsprechend angepasst werden. Die zulässige Scherspannung Ít kann beispielsweise berechnet werden, indem die Scherspannung durch den Sicherheitsfaktor dividiert wird. Durch die Anpassung des Sicherheitsfaktors kann die Leistung der Schraube optimiert und gleichzeitig die Sicherheit gewährleistet werden.

Berücksichtigen Sie Umweltfaktoren: Bei hochfesten Verbindungselementen, die langfristig rauen Umgebungen ausgesetzt sind, wie z. B. in der Windenergie, sollte besonders auf ihre Wartungsbedingungen und Stabilität geachtet werden. In diesem Fall können spezielle Materialien oder Beschichtungen erforderlich sein, um die Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit der Schraube zu verbessern.

Befolgen Sie die technischen Verfahren: Unter Bezugnahme auf die technischen Verfahren für hochfeste Schraubenverbindungen in Stahlkonstruktionen können Maßnahmen wie die Vergrößerung der Reibungsfläche der Beschichtung und ihres Gleitwiderstandskoeffizienten, die Vergrößerung der Zugverbindungen und der Endplattenverbindungen die Leistung und Zuverlässigkeit von Schraubenverbindungen wirksam verbessern.