Какво определя разпределението на въртящия момент на болта и коефициента на триене?

Като основен индикатор за контролиране на силата на затягане на болта, реалността е, че по-голямата част от въртящия момент на затягане се губи чрез триене, като само малка част всъщност се превръща в сила на затягане. И така, какви фактори в крайна сметка определят разпределението на въртящия момент на болта и големината на коефициента на триене? Днес редакторът от Jiangsu Jinrui ще сподели емпирично проучване, базирано на микротопографски анализ, което разкрива ключовите фактори, влияещи върху разпределението на въртящия момент на болтовете и коефициента на триене, осигурявайки солидна основа за постигане на високо-надеждно закрепване.

1. Коефициент на триене и разпределение на въртящия момент

При затягане на болт входният въртящ момент не се използва изцяло за разтягане на болта и генериране на сила на затягане. Всъщност въртящият момент се разпределя между три пътя на потребление:

Триене на резбата: Триенето възниква в зоната на контакт на резбата между болта и гайката, което отнема голямо количество въртящ момент;

Триене на повърхността на лагера: Триенето съществува и между главата на болта и шайбата или повърхността на свързания компонент и въртящият момент, консумиран в тази част, представлява по-голяма част;

Ефект на водещия ъгъл на резбата (т.е. ефективен компонент на предварително натоварване): Само тази част от въртящия момент се използва наистина за разтягане на болта и по този начин за формиране на сила на затягане.

Проучванията показват, че приблизително 85% до 90% от въртящия момент се използва за преодоляване на триенето и само около 10% се превръща в сила на опън на болта.

Това означава, че след като коефициентът на триене се промени, ефективността на преобразуване на въртящия момент ще се промени съответно, което води до възможна разлика от повече от два пъти в силата на затягане, генерирана при същия въртящ момент. Поради това е ненадеждно да се фиксира силата на затягане само чрез въртящ момент.

2. Проектиране на схема

За задълбочено изследване на основните фактори, определящи разпределението на въртящия момент на болта и коефициента на триене, лабораторията по трибология на École Centrale de Lyon във Франция проектира систематична експериментална схема. Основната цел на тази схема е да комбинира механично изпитване с анализ на микротопография на повърхността, за да се установи причинно-следствена връзка между поведението на триене и микроструктурата.

Експериментът беше проведен в съответствие със стандарта ISO 16047 за изпитване на въртящия момент-сила на затягане. Използваните болтове бяха със спецификация M10×60, изработени от стомана 30MnB4, които бяха със студена-глава, резбови-навити и след това електрогалванизирани. Конкретните стойности на общия въртящ момент бяха записани подробно, докато въртящият момент на резбата и въртящият момент на опорната повърхност бяха разделени, за да се изчисли точно коефициентът на триене и да се анализира законът за разпределение на въртящия момент. Използвана е три{11}}технология за сканиране на триизмерната топография за извличане на параметри,-свързани с грапавостта, и промените на параметрите преди и след затягане бяха сравнени, за да се изследва присъщата корелация между поведението на триене и микротопографията. Този дизайн не само взема предвид механичните характеристики, но също така навлиза на микро ниво, разкривайки основните причини за промените в разпределението на въртящия момент на болта и коефициента на триене.

3. Метод за проверка на теста

Въз основа на горната схема е изградено тестово устройство, отговарящо на стандарта ISO 16047, което може да измерва точно въртящия момент и силата на затягане. Процесът на тестване включва следните връзки:

Фиксиране и натоварване на болта: Инсталирайте болта на стандартизиран тестов стенд, приложете зададен въртящ момент и -запишете в реално време стойностите на общия въртящ момент, въртящия момент на резбата, въртящия момент на опорната повърхност и силата на затягане;

Измерване на разделяне на триенето: Отделете триенето на резбата от триенето на повърхността на лагера чрез специалната структура на устройството и сензорите, за да осигурите точността на изчисляване на коефициента на триене;

Разположение за сканиране на топографията: Преди и след всяка операция на затягане извършете три{0}}измерно сканиране върху опорната повърхност на главата на болта и повърхността на шайбата, за да уловите информация за характеристиките на микрон-ниво;

Извличане и анализ на параметри: Извличайте параметри,-свързани с грапавостта, и ги комбинирайте с данни за триене, за да анализирате съответната връзка между промените в топографията на повърхността и поведението на триене.

Фигурата по-долу показва структурата на изпитвателния стенд и специфичните позиции на точките за измерване.

4. Анализ на резултатите от топографията

Данните от теста разкриха няколко ключови феномена, които помагат за задълбочено разбиране на основните фактори, определящи разпределението на въртящия момент и коефициента на триене:

4.1 Динамични промени на коефициента на триене

По време на процеса на затягане коефициентът на триене не е постоянен, а непрекъснато се променя с контактното състояние. Като цяло, коефициентът на триене на опорната повърхност е с около 44% по-висок от коефициента на триене на резбата, което показва, че по-голямата част от въртящия момент се изразходва върху опорната повърхност, а не върху повърхността на резбата.

4.2 Значително разсейване на въртящия момент

Дори когато е зададена същата целева сила на затягане, разликата в необходимия въртящ момент може да бъде почти двойна. Например, някои болтове изискват въртящ момент от 96,7 Nm, докато други се нуждаят само от 54,5 Nm. Тази дисперсия на стойностите на въртящия момент е пряко причинена от нестабилността на коефициента на триене.

4.3 Значителна еволюция на топографията на повърхността

Резултатите от три{0}}измерното сканиране показват, че параметрите на грапавостта на опорната повърхност са претърпели значителни промени:

Sq (средна квадратична грапавост) намалява от приблизително 5,3 μm до 1,04 μm и повърхността става по-гладка;

Ssk (изкривеност) се превърна в отрицателна, което показва промяна в разпределението на повърхностните пикове и долини, с повече материал, концентриран в ниските точки (долини) на повърхността, и характеристиките на ямите станаха по-очевидни;

Стойността на Sku (ексцес) се увеличи, което означава, че носещата способност на повърхността беше подобрена.

Тези промени показват, че по време на процеса на затягане повърхността претърпява пластична деформация, реалната контактна площ се увеличава и поведението на триене се променя съответно. Фигурата по-долу показва три{1}}измерната топография на носещата повърхност на главата на болта преди и след затягане: преди затягане повърхността представлява очевидна грапава пикова-структура на вдлъбнатина; след затягане грапавите върхове се срязват, повърхността има тенденция да бъде плоска и насочеността е по-очевидна. Това показва, че триенето не само консумира енергия, но също така променя структурата на повърхността на микро ниво.

Фигурата по-долу ясно маркира следите от триене и зоните на пластична деформация върху повърхността на лагера чрез микроскопско наблюдение: има значителни драскотини в някои области и посоката на разширение на драскотините е в съответствие с посоката на въртене на болта, което показва, че триенето е причинило потока на материала и повреда на повърхността.

Фигурата по-долу представя неравномерните характеристики на контакта на повърхността на лагера: действителната контактна площ е много по-малка от номиналната площ и натоварването е концентрирано в няколко микрозони, което води до локални високо-напрегнати състояния и пластична деформация. Този неравномерен контакт е ключовият фактор, причиняващ колебания в коефициента на триене.