Hvad bestemmer boltens momentfordeling og friktionskoefficient?

Som en kerneindikator til styring af boltens spændekraft er virkeligheden, at det meste af tilspændingsmomentet går tabt gennem friktion, med kun en lille del faktisk omdannet til spændekraft. Så hvilke faktorer bestemmer i sidste ende boltens drejningsmomentfordeling og størrelsen af ​​friktionskoefficienten? I dag vil redaktøren fra Jiangsu Jinrui dele en empirisk undersøgelse baseret på mikrotopografianalyse, som afslører de vigtigste faktorer, der påvirker boltens drejningsmomentfordeling og friktionskoefficient, hvilket giver et stærkt grundlag for at opnå høj-pålidelig fastgørelse.

1. Friktionskoefficient og momentfordeling

Ved tilspænding af en bolt bruges indgangsmomentet ikke helt til at strække bolten og generere klemkraft. Faktisk er drejningsmomentet fordelt på tre forbrugsveje:

Gevindfriktion: Friktion opstår i gevindkontaktområdet mellem bolten og møtrikken, hvilket forbruger et stort drejningsmoment;

Lejeoverfladefriktion: Friktion eksisterer også mellem bolthovedet og skiven eller overfladen af ​​den tilsluttede komponent, og det forbrugte drejningsmoment i denne del tegner sig for en større andel;

Gevindføringsvinkeleffekt (dvs. effektiv forspændingskomponent): Kun denne del af drejningsmomentet bruges virkelig til at strække bolten og dermed danne klemkraft.

Undersøgelser har vist, at cirka 85 % til 90 % af drejningsmomentet bruges til at overvinde friktion, og kun omkring 10 % omdannes til boltens trækkraft.

Dette betyder, at når først friktionskoefficienten ændres, vil drejningsmomentkonverteringseffektiviteten ændre sig tilsvarende, hvilket resulterer i en mulig forskel på mere end det dobbelte i spændekraften genereret under det samme drejningsmoment. Derfor er det upålideligt at låse spændekraften udelukkende ved hjælp af moment.

2. Skema Design

For at udforske kernefaktorerne, der bestemmer boltens drejningsmomentfordeling og friktionskoefficient, har Tribology Laboratory i École Centrale de Lyon i Frankrig designet et systematisk forsøgsskema. Kernemålet med denne ordning er at kombinere mekanisk testning med overflademikrotopografianalyse for at etablere en årsagssammenhæng mellem friktionsadfærd og mikrostruktur.

Eksperimentet blev udført i overensstemmelse med ISO 16047-standarden for drejningsmoment-spændekrafttest. De anvendte bolte var af specifikation M10×60, lavet af 30MnB4 stål, som var kold-hovedet, gevind-valset og derefter elektrogalvaniseret. De specifikke værdier af det samlede drejningsmoment blev registreret i detaljer, mens gevinddrejningsmoment og lejeoverflademoment blev adskilt for nøjagtigt at beregne friktionskoefficienten og analysere drejningsmomentfordelingsloven. Tre-dimensionel topografiscanningsteknologi blev brugt til at udtrække ruhed-relaterede parametre, og parameterændringerne før og efter stramning blev sammenlignet for at udforske den iboende sammenhæng mellem friktionsadfærd og mikrotopografi. Dette design tager ikke kun hensyn til mekanisk ydeevne, men dykker også ned i mikroniveauet og afslører de grundlæggende årsager til ændringer i boltens drejningsmomentfordeling og friktionskoefficient.

3. Test verifikationsmetode

Baseret på ovenstående skema blev der bygget en testanordning i overensstemmelse med ISO 16047-standarden, som nøjagtigt kan måle drejningsmoment og spændekraft. Testprocessen inkluderer følgende links:

Boltfastgørelse og -belastning: Installer bolten på en standardiseret testbænk, anvend et indstillet drejningsmoment, og registrer i realtid værdierne for totalt drejningsmoment, gevinddrejningsmoment, lejeoverflademoment og spændekraft;

Friktionsadskillelsesmåling: Adskil gevindfriktion fra lejeoverfladefriktion gennem den specielle struktur af enheden og sensorerne for at sikre nøjagtigheden af ​​beregningen af ​​friktionskoefficienten;

Topografisk scanningsarrangement: Før og efter hver tilspændingsoperation skal du udføre tre-dimensionel scanning på bolthovedets lejeflade og skiveoverfladen for at fange funktionsoplysninger på mikron-niveau;

Parameterekstraktion og analyse: Udtræk ruhedsrelaterede parametre- og kombiner dem med friktionsdata for at analysere det tilsvarende forhold mellem overfladetopografiændringer og friktionsadfærd.

Nedenstående figur viser strukturen af ​​testbænken og de specifikke positioner af målepunkterne.

4. Analyse af topografiresultater

Testdataene afslørede adskillige nøglefænomener, der hjælper med at forstå de grundlæggende faktorer, der bestemmer drejningsmomentfordeling og friktionskoefficient:

4.1 Dynamiske ændringer af friktionskoefficient

Under tilspændingsprocessen er friktionskoefficienten ikke konstant, men ændres løbende med kontakttilstanden. Generelt er lejefladefriktionskoefficienten omkring 44 % højere end gevindfriktionskoefficienten, hvilket indikerer, at det meste af drejningsmomentet forbruges på lejeoverfladen i stedet for gevindoverfladen.

4.2 Betydelig drejningsmomentspredning

Selv når det samme spændekraftmål er indstillet, kan forskellen i det nødvendige drejningsmoment være næsten det dobbelte. For eksempel kræver nogle bolte et moment på 96,7 Nm, mens andre kun skal bruge 54,5 Nm. Denne dispergerbarhed af drejningsmomentværdier er direkte forårsaget af friktionskoefficientens ustabilitet.

4.3 Betydelig udvikling af overfladetopografi

De tre-dimensionelle scanningsresultater viser, at ruhedsparametrene for lejefladen har undergået væsentlige ændringer:

Sq (gennemsnitlig kvadratisk ruhed) faldt fra ca. 5,3 μm til 1,04 μm, og overfladen blev glattere;

Ssk (skævhed) blev negativ, hvilket indikerer en ændring i fordelingen af ​​overfladetoppe og dale, med mere materiale koncentreret i overfladens lave punkter (dale), og grubetrækkene blev mere tydelige;

Værdien af ​​Sku (kurtosis) steg, hvilket betyder, at overfladebæreevnen blev forbedret.

Disse ændringer indikerer, at overfladen under tilspændingsprocessen undergår plastisk deformation, det reelle kontaktareal øges, og friktionsadfærden ændres tilsvarende. Nedenstående figur viser den tre-dimensionelle topografi af bolthovedets lejeflade før og efter tilspænding: før tilspænding præsenterer overfladen en tydelig ru top-dalstruktur; efter tilspænding forskydes de ru toppe, overfladen har en tendens til at være flad, og retningsbestemmelsen er mere tydelig. Dette viser, at friktion ikke kun forbruger energi, men også omformer overfladestrukturen på mikroniveau.

Nedenstående figur markerer tydeligt friktionsmærkerne og plastiske deformationsområder på lejefladen gennem mikroskopisk observation: der er betydelige ridser i nogle områder, og ridsernes forlængelsesretning er i overensstemmelse med boltens rotationsretning, hvilket indikerer, at friktion har forårsaget materialeflow og overfladeskade.

Nedenstående figur viser de ujævne karakteristika ved lejefladekontakt: det faktiske kontaktareal er meget mindre end det nominelle areal, og belastningen er koncentreret i nogle få mikroområder, hvilket fører til lokale høje-spændingstilstande og plastisk deformation. Denne ujævne kontakt er nøglefaktoren, der forårsager fluktuationer i friktionskoefficienten.