Unit 5: DESIGN OF FASTENERS

5.1 Stresses in Screwed Fasteners

English Explanation:

Screwed fasteners (like bolts, screws, studs) are used to join machine parts. When they are tightened, stresses develop in the threaded portion and the shank due to external loads.

Types of stresses in screwed fasteners:

1. Tensile Stress:
   The bolt is pulled axially by the external load, causing tensile stress along the bolt’s cross-section.

2. Shear Stress:
   Occurs if the bolt is subjected to transverse forces, causing layers to slide over each other.

3. Bearing Stress:
   Occurs between the bolt and the hole surface due to contact pressure.

4. Torsional Stress:
   During tightening, torque causes torsional stress on the threads.

5. Bending Stress:
   May occur if the bolt is eccentrically loaded or the joint is flexible.

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Hindi Explanation:

स्क्रूड फास्टनर (जैसे बोल्ट, स्क्रू, स्टड) मशीन के भागों को जोड़ने के लिए उपयोग होते हैं। जब इन्हें कसते हैं, तो थ्रेडेड हिस्से और शैंक में बाहरी लोड की वजह से तनाव उत्पन्न होते हैं।

स्क्रूड फास्टनर में तनाव के प्रकार:

1. टेंसल तनाव (Tensile Stress):
   बोल्ट पर बाहरी लोड की वजह से खिंचाव होता है, जिससे उसकी क्रॉस सेक्शन में तन्यता तनाव पैदा होता है।

2. शियर तनाव (Shear Stress):
   तब होता है जब बोल्ट पर पार्श्व बल लगते हैं, जिससे परतें एक-दूसरे के ऊपर से फिसलने लगती हैं।

3. बेयरिंग तनाव (Bearing Stress):
   बोल्ट और होल की सतह के बीच संपर्क दबाव से होता है।

4. टॉर्शनल तनाव (Torsional Stress):
   कसते समय, टॉर्क के कारण थ्रेड्स पर मरोड़ तनाव आता है।

5. बेंडिंग तनाव (Bending Stress):
   तब हो सकता है जब बोल्ट पर विकेंद्री लोड लगे या जॉइंट लचीला हो।

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5.2 Bolts of Uniform Strength

English Explanation:

A bolt of uniform strength is designed so that the stress is uniformly distributed along the entire length of the bolt, preventing weak points.

• The diameter of the bolt is not uniform; it gradually changes.

• The shank diameter is reduced where tensile stress is less.

• This reduces material and weight without sacrificing strength.

Design Principle:

• The stress in the threaded portion and the shank should be the same.

• By varying the diameter, the bolt achieves uniform strength.

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Hindi Explanation:

यूनिफॉर्म स्ट्रेंथ वाले बोल्ट ऐसे डिज़ाइन किए जाते हैं कि बोल्ट के पूरे हिस्से में तनाव समान रूप से वितरित हो, जिससे कमजोर जगहें न बनें।

• बोल्ट का व्यास समान नहीं होता, बल्कि धीरे-धीरे बदलता है।

• शैंक का व्यास उस हिस्से पर कम किया जाता है जहाँ तन्यता तनाव कम होता है।

• इससे सामग्री और वजन कम होता है बिना ताकत खोए।

डिजाइन सिद्धांत:

• थ्रेडेड भाग और शैंक में तनाव समान होना चाहिए।

• व्यास को बदलकर बोल्ट को यूनिफॉर्म स्ट्रेंथ मिलती है।

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5.3 Design of Parallel and Transverse Fillet Welds

English Explanation:

Fillet welds are triangular welds used to join two parts at right angles or parallel.

• Parallel fillet welds: When welds run parallel to the direction of load.

• Transverse fillet welds: When welds run perpendicular to the load.

Design involves:

• Calculating the throat thickness (effective weld size).

• Ensuring weld strength can carry the applied loads without failure.

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Hindi Explanation:

फिलेट वेल्ड त्रिकोणीय वेल्ड होते हैं, जो दो भागों को सीधे या समानांतर जोड़ने के लिए उपयोग होते हैं।

• पैरेलल फिलेट वेल्ड: जब वेल्ड लोड की दिशा के समानांतर होती है।

• ट्रांसवर्स फिलेट वेल्ड: जब वेल्ड लोड के लंबवत होती है।

डिजाइन में शामिल है:

• थ्रोट थिकनेस (प्रभावी वेल्ड साइज) की गणना।

• सुनिश्चित करना कि वेल्ड की ताकत लागू लोड को सह सके।

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5.3.1 Design of Eccentrically Loaded Welded Joints

English Explanation:

In eccentrically loaded welded joints, the load does not act through the centroid of the weld, causing bending moments.

• Design must consider both direct shear and bending stresses.

• Calculate resultant stresses and ensure they are within allowable limits.

• This requires checking maximum stress at the weld throat.

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Hindi Explanation:

विक्रेंद्री लोड वाले वेल्डेड जॉइंट में लोड वेल्ड के केंद्र से होकर नहीं गुजरता, जिससे मोड़ के क्षण उत्पन्न होते हैं।

• डिजाइन में सीधे शियर और बेंडिंग तनाव दोनों को ध्यान में रखना पड़ता है।

• कुल तनाव की गणना कर इसे अनुमत सीमा के अंदर रखना होता है।

• इसके लिए वेल्ड थ्रोट पर अधिकतम तनाव की जांच जरूरी होती है।

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5.4 Axially Loaded Symmetrical Section

English Explanation:

When fasteners are used in a symmetrical section loaded axially (along the length), the load is uniformly distributed.

• The design focuses on axial tensile or compressive stresses.

• Stress is calculated using:

  $$\sigma = \frac{P}{A}$$

  where $P$ = axial load, $A$ = cross-sectional area.

• Ensures no bending or shear stresses if load is perfectly axial.

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Hindi Explanation:

जब फास्टनर का उपयोग एक सममित सेक्शन में किया जाता है जो अक्षीय रूप से लोडेड होता है (लंबाई की दिशा में), तब लोड समान रूप से वितरित होता है।

• डिजाइन अक्षीय तन्यता या संपीड़न तनाव पर केंद्रित होता है।

• तनाव की गणना:

  $$\sigma = \frac{P}{A}$$

  जहाँ $P$ = अक्षीय लोड, $A$ = क्रॉस सेक्शनल एरिया।

• यदि लोड पूरी तरह अक्षीय हो तो बेंडिंग या शियर तनाव नहीं होंगे।

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5.5 Merits and Demerits of Screwed and Welded Joints

English Explanation:

Type	Merits	Demerits
Screwed Joints	- Easy to assemble and disassemble - Can be reused - Adjustable tightness	- Can loosen under vibrations - Stress concentration at threads - Limited load capacity
Welded Joints	- Permanent and strong - No loosening issues - Better fatigue strength	- Difficult to disassemble - Requires skilled labor - Heat can affect material properties

Hindi Explanation:

प्रकार	लाभ	हानि
स्क्रूड जॉइंट्स	- असेंबल और डिसअसेंबल करना आसान - पुनः उपयोग योग्य - कसाव समायोजित किया जा सकता है	- कंपन में ढीला हो सकता है - थ्रेड्स पर तनाव एकाग्रण - सीमित लोड क्षमता
वेल्डेड जॉइंट्स	- स्थायी और मजबूत - ढीलेपन की समस्या नहीं - बेहतर थकान क्षमता	- डिसअसेंबल करना कठिन - कुशल मजदूर की आवश्यकता - गर्मी से सामग्री प्रभावित हो सकती है