Осевая нагрузка — сила вдоль оси¶
Осевая нагрузка — это сила, приложенная к конструктивному элементу (балке, стойке, валу, болту, свае и т. п.) вдоль её продольной оси. В зависимости от направления относительно оси элемента осевая нагрузка бывает сжимающей (силы направлены на сжатие) или растягивающей (силы направлены на растяжение). В общем случае осевой нагрузкой называют составляющую внешней силы, совпадающую с осью элемента, при этом поперечная составляющая порождает изгиб, а крутящий момент — кручение.
¶Основные понятия
При расчёте конструкций внешние нагрузки разлагаются на компоненты относительно трёх взаимно перпендикулярных осей элемента. Составляющая, направленная вдоль продольной оси, формирует осевую нагрузку. В теории сопротивления материалов осевая нагрузка считается центральной, если её линия действия проходит через центр тяжести поперечного сечения, и внецентренной — если точка приложения смещена от центра. Центральная осевая нагрузка вызывает в сечении равномерно распределённое нормальное напряжение, вычисляемое по формуле:
σ = N / A,
где N — величина осевой силы (Н), A — площадь поперечного сечения (м²). Для внецентренной нагрузки дополнительно возникает изгибающий момент, и напряжения распределяются неравномерно.
¶Осевая нагрузка в разных областях
¶В строительстве и архитектуре
В строительных конструкциях осевые нагрузки воспринимают колонны, стойки ферм, подкосы, стержни связей и сваи. Вертикальная осевая нагрузка на колонну складывается из веса перекрытий, собственного веса конструкций, снеговой и эксплуатационной нагрузки. Расчёт стойки на сжатие включает проверку на прочность (σ ≤ [σ]) и на устойчивость — риск потери устойчивости в виде продольного изгиба, описываемого формулой Эйлера:
Pкр = π²EI / (l₀)²,
где E — модуль упругости материала, I — момент инерции сечения, l₀ — расчётная длина стойки. Именно поэтому высокие тонкие стойки проектируют с повышенным моментом инерции (двутавровое, коробчатое сечение) или с промежуточными связями.
¶В машиностроении
В машинах и механизмах осевые нагрузки возникают на валах, осях, шпинделях, зубчатых колёсах, подшипниках и крепёжных элементах. Зубчатое колесо при передаче крутящего момента создаёт осевую составляющую силы, зависящую от угла наклона зуба: у прямозубых передач осевая нагрузка практически отсутствует, у косозубых — пропорциональна тангенсу угла наклона зуба, у шевронных передач осевые силы взаимно уравновешены. Косозубые передачи при этом работают плавнее и тише, чем прямозубые.
Винтовые передачи (червячные, винтовые) преобразуют вращение в поступательное движение и воспринимают значительные осевые усилия, которые передаются на упорные подшипники. Резьбовые соединения (болты, шпильки) работают преимущественно на растяжение или сжатие, и предварительная затяжка болта создаёт начальную осевую нагрузку, обеспечивающую герметичность и предотвращающую разрушение от знакопеременных усилий.
¶В автомобилестроении
В подвеске автомобиля осевые нагрузки воспринимают амортизаторы, пружины, шаровые опоры и ступичные подшипники. Ступичный подшипник рассчитывается на комбинированную нагрузку: радиальную (вес колеса и вертикальные удары) и осевую (боковые силы в повороте). Классификация подшипников по воспринимаемым нагрузкам — радиальные, упорные, радиально-упорные — основана именно на соотношении осевой и радиальной составляющих.
¶В геотехнике и фундаментостроении
Свая работает как вертикальный стержень, воспринимающий осевую нагрузку от вышестоящих конструкций и передающий её в грунт через боковую поверхность (трение) и нижний конец (опорная часть). Расчёт сваи включает определение несущей способности по сопротивлению грунта боковой поверхности и по сопротивлению грунта под нижним концом. Осевая нагрузка на сваю не должна превышать расчётное сопротивление грунта с учётом коэффициентов надёжности.
¶Осевая нагрузка в испытаниях материалов
При испытаниях материалов на растяжение и сжатие образец нагружается осевой силой, величина которой фиксируется, а по диаграмме «напряжение — деформация» определяются модуль упругости, предел прочности, предел текучести и относительное удлинение. Машины универсальные разрывные (Р-5, Р-25 и аналоги) создают осевую нагрузку с контролем скорости нагружения в соответствии с ГОСТ. Результаты испытаний служат исходными данными для расчёта конструкций.
¶Учёт знакопеременности
Осевая нагрузка может быть постоянной, переменной или знакопеременной. При переменном нагружении с изменением знака (растяжение — сжатие) в элементе развиваются усталостные процессы, и расчёт ведётся на прочность при пульсирующем нагружении с введением коэффициента запаса. Усталостные разрушения стержней под действием знакопеременной осевой нагрузки наблюдаются, например, в шатунах двигателей, шпинделях прессов и мостовых конструкциях под подвижной нагрузкой.
¶Единицы измерения
Осевая нагрузка измеряется в единицах силы СИ: ньютонах (Н). В технике применяются кратные единицы — килоньютоны (кН) и меганьютоны (МН). Внесистемные единицы — килограмм-сила (кгс), 1 кгс ≈ 9,81 Н, — используются в устаревших нормативных документах и справочной литературе.
Источники:
- Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана.
- Банников В. А. Сопротивление материалов. — М.: Высшая школа.
- ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.
- СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия.
- Справочник конструктора-машиностроителя / под ред. П. И. Ягубова.