Čo určuje rozloženie krútiaceho momentu skrutky a koeficient trenia?

Ako hlavný indikátor na riadenie sily zovretia skrutiek je skutočnosťou, že väčšina uťahovacieho momentu sa stratí trením, pričom len malá časť sa skutočne premení na silu zovretia. Aké faktory teda v konečnom dôsledku určujú rozdelenie krútiaceho momentu skrutky a veľkosť koeficientu trenia? Dnes sa editor z Jiangsu Jinrui podelí o empirickú štúdiu založenú na mikrotopografickej analýze, ktorá odhaľuje kľúčové faktory ovplyvňujúce rozloženie krútiaceho momentu skrutiek a koeficient trenia, čo poskytuje silný základ na dosiahnutie vysokej-spoľahlivosti upevnenia.

1. Koeficient trenia a rozloženie krútiaceho momentu

Pri uťahovaní skrutky sa vstupný krútiaci moment úplne nepoužíva na natiahnutie skrutky a vytvorenie zvieracej sily. V skutočnosti je krútiaci moment rozdelený medzi tri cesty spotreby:

Trenie závitu: V oblasti kontaktu závitu medzi skrutkou a maticou dochádza k treniu, ktoré spotrebuje veľké množstvo krútiaceho momentu;

Trenie dosadacej plochy: Trenie existuje aj medzi hlavou skrutky a podložkou alebo povrchom spojovaného komponentu a krútiaci moment spotrebovaný v tejto časti má väčší podiel;

Účinok uhla nábehu závitu (tj účinná zložka predpätia): Iba táto časť krútiaceho momentu sa skutočne použije na natiahnutie skrutky a tým vytvorenie zvieracej sily.

Štúdie ukázali, že približne 85 % až 90 % krútiaceho momentu sa používa na prekonanie trenia a len približne 10 % sa premieňa na ťahovú silu skrutky.

To znamená, že akonáhle sa koeficient trenia zmení, účinnosť konverzie krútiaceho momentu sa zodpovedajúcim spôsobom zmení, čo bude mať za následok viac ako dvojnásobný rozdiel v upínacej sile vytvorenej pri rovnakom krútiacom momente. Preto je nespoľahlivé zablokovať upínaciu silu iba krútiacim momentom.

2. Návrh schémy

Tribologické laboratórium École Centrale de Lyon vo Francúzsku navrhlo systematickú experimentálnu schému, aby dôkladne preskúmalo kľúčové faktory určujúce rozloženie krútiaceho momentu skrutiek a koeficient trenia. Hlavným cieľom tejto schémy je skombinovať mechanické testovanie s analýzou povrchovej mikrotopografie, aby sa stanovil príčinný vzťah medzi trecím správaním a mikroštruktúrou.

Experiment bol vykonaný v súlade s normou ISO 16047 na testovanie zvieracej sily-krútiaceho momentu. Použité skrutky boli špecifikácie M10×60, vyrobené z ocele 30MnB4, ktoré boli za studena-hlavou, závit{8}}valcované a následne galvanizované. Špecifické hodnoty celkového krútiaceho momentu boli podrobne zaznamenané, zatiaľ čo krútiaci moment závitu a krútiaci moment ložiskovej plochy boli oddelené, aby sa presne vypočítal koeficient trenia a analyzoval sa zákon o rozdelení krútiaceho momentu. Na extrakciu parametrov súvisiacich s drsnosťou-sa použila technológia trojrozmerného topografického skenovania a zmeny parametrov pred a po utiahnutí sa porovnali, aby sa preskúmala vnútorná korelácia medzi trecím správaním a mikrotopografiou. Tento dizajn berie do úvahy nielen mechanický výkon, ale tiež sa ponorí do mikroúrovne a odhaľuje základné dôvody zmien v rozdelení krútiaceho momentu skrutiek a koeficientu trenia.

3. Metóda overenia testu

Na základe vyššie uvedenej schémy bolo zostrojené testovacie zariadenie v súlade s normou ISO 16047, ktoré dokáže presne merať krútiaci moment a upínaciu silu. Testovací proces zahŕňa nasledujúce odkazy:

Upevnenie a zaťaženie skrutky: Nainštalujte skrutku na štandardizovanú skúšobnú stolicu, použite nastavený krútiaci moment a v reálnom{0}}čase zaznamenávajte hodnoty celkového krútiaceho momentu, krútiaceho momentu závitu, krútiaceho momentu na povrchu ložiska a zvieracej sily;

Meranie oddelenia trenia: Oddeľte trenie závitu od trenia nosnej plochy pomocou špeciálnej konštrukcie zariadenia a snímačov, aby sa zabezpečila presnosť výpočtu koeficientu trenia;

Usporiadanie topografického skenovania: Pred a po každom uťahovaní vykonajte trojrozmerné skenovanie na nosnom povrchu hlavy skrutky a povrchu podložky, aby ste získali informácie o funkciách na úrovni mikrónov-;

Extrakcia a analýza parametrov: Extrahujte parametre súvisiace s drsnosťou-a kombinujte ich s údajmi o trení, aby ste analyzovali zodpovedajúci vzťah medzi zmenami topografie povrchu a správaním trenia.

Na obrázku nižšie je znázornená štruktúra skúšobnej stolice a konkrétne polohy meracích bodov.

4. Analýza výsledkov topografie

Skúšobné údaje odhalili niekoľko kľúčových javov, ktoré pomáhajú hlboko pochopiť základné faktory určujúce rozloženie krútiaceho momentu a koeficient trenia:

4.1 Dynamické zmeny koeficientu trenia

Počas procesu uťahovania nie je koeficient trenia konštantný, ale neustále sa mení so stavom kontaktu. Vo všeobecnosti je koeficient trenia povrchu ložiska asi o 44 % vyšší ako koeficient trenia závitu, čo naznačuje, že väčšina krútiaceho momentu sa spotrebuje na povrchu ložiska a nie na povrchu závitu.

4.2 Významná disperzibilita krútiaceho momentu

Aj keď je nastavená rovnaká cieľová upínacia sila, rozdiel v požadovanom krútiacom momente môže byť takmer dvojnásobný. Napríklad niektoré skrutky vyžadujú krútiaci moment 96,7 Nm, zatiaľ čo iné potrebujú iba 54,5 Nm. Táto disperzibilita hodnôt krútiaceho momentu je priamo spôsobená nestabilitou koeficientu trenia.

4.3 Významný vývoj povrchovej topografie

Výsledky trojrozmerného skenovania ukazujú, že parametre drsnosti nosného povrchu prešli významnými zmenami:

Sq (stredná kvadratická drsnosť) sa znížila z približne 5,3 μm na 1,04 μm a povrch sa stal hladším;

Ssk (šikmosť) sa zmenila na negatívnu, čo naznačuje zmenu v rozložení povrchových vrcholov a dolín, pričom viac materiálu sa koncentrovalo v nízkych bodoch (údoliach) povrchu a črty jamiek sa stali zreteľnejšími;

Zvýšila sa hodnota Sku (kurtosis), čo znamená zvýšenie únosnosti povrchu.

Tieto zmeny naznačujú, že počas procesu uťahovania dochádza k plastickej deformácii povrchu, zväčšuje sa skutočná kontaktná plocha a podľa toho sa mení aj trenie. Obrázok nižšie zobrazuje trojrozmernú-topografiu nosnej plochy hlavy skrutky pred a po utiahnutí: pred utiahnutím povrch predstavuje zrejmú drsnú vrcholovú-štruktúru údolia; po utiahnutí sú drsné vrcholy orezané, povrch má tendenciu byť plochý a smerovosť je zreteľnejšia. To ukazuje, že trenie nielenže spotrebúva energiu, ale tiež pretvára povrchovú štruktúru na mikroúrovni.

Obrázok nižšie jasne označuje trecie značky a oblasti plastickej deformácie na povrchu ložiska mikroskopickým pozorovaním: v niektorých oblastiach sú výrazné škrabance a smer predĺženia škrabancov je v súlade so smerom otáčania skrutky, čo naznačuje, že trenie spôsobilo tok materiálu a poškodenie povrchu.

Obrázok nižšie znázorňuje nerovnomerné charakteristiky kontaktu s povrchom ložiska: skutočná kontaktná plocha je oveľa menšia ako nominálna plocha a zaťaženie sa sústreďuje do niekoľkých mikrooblastí, čo vedie k lokálnym vysoko{0}}napäťovým stavom a plastickej deformácii. Tento nerovnomerný kontakt je kľúčovým faktorom spôsobujúcim kolísanie koeficientu trenia.