Wat bepaalt de boutkoppelverdeling en wrijvingscoëfficiënt?

Als kernindicator voor het controleren van de klemkracht van bouten geldt dat het grootste deel van het aanhaalmoment verloren gaat door wrijving, terwijl slechts een klein deel daadwerkelijk wordt omgezet in klemkracht. Welke factoren bepalen uiteindelijk de verdeling van het boutkoppel en de grootte van de wrijvingscoëfficiënt? Vandaag zal de redacteur van Jiangsu Jinrui een empirisch onderzoek delen, gebaseerd op microtopografische analyse, dat de belangrijkste factoren onthult die van invloed zijn op de verdeling van het boutkoppel en de wrijvingscoëfficiënt, wat een sterke basis biedt voor het bereiken van een hoge-betrouwbare bevestiging.

1. Wrijvingscoëfficiënt en koppelverdeling

Bij het aandraaien van een bout wordt het ingangskoppel niet volledig gebruikt om de bout uit te rekken en klemkracht te genereren. In feite wordt het koppel verdeeld over drie verbruikspaden:

Draadwrijving: Wrijving treedt op in het draadcontactgebied tussen de bout en de moer, waardoor een grote hoeveelheid koppel wordt verbruikt;

Wrijving op het lageroppervlak: Er bestaat ook wrijving tussen de boutkop en de ring of het oppervlak van het aangesloten onderdeel, en het koppel dat in dit onderdeel wordt verbruikt, is verantwoordelijk voor een groter deel;

Draadinloophoekeffect (dwz effectieve voorspanningscomponent): Alleen dit deel van het koppel wordt echt gebruikt om de bout uit te rekken en zo klemkracht te vormen.

Studies hebben aangetoond dat ongeveer 85% tot 90% van het koppel wordt gebruikt om wrijving te overwinnen, en dat slechts ongeveer 10% wordt omgezet in trekkracht van de bout.

Dit betekent dat zodra de wrijvingscoëfficiënt verandert, de efficiëntie van de koppelomzetting dienovereenkomstig zal veranderen, wat resulteert in een mogelijk verschil van meer dan het dubbele van de klemkracht die wordt gegenereerd onder hetzelfde koppel. Daarom is het onbetrouwbaar om de klemkracht uitsluitend door koppel te vergrendelen.

2. Schemaontwerp

Om de kernfactoren die de verdeling van het boutkoppel en de wrijvingscoëfficiënt bepalen diepgaand te onderzoeken, heeft het Tribologielaboratorium van de École Centrale de Lyon in Frankrijk een systematisch experimenteel schema ontworpen. Het kerndoel van dit schema is om mechanisch testen te combineren met oppervlaktemicrotopografie-analyse om een ​​causaal verband tussen wrijvingsgedrag en microstructuur vast te stellen.

Het experiment werd uitgevoerd in overeenstemming met de ISO 16047-norm voor het testen van koppel{1}}sluitkracht. De gebruikte bouten hadden de specificatie M10×60, gemaakt van 30MnB4-staal, met een koude- kop, draad-gewalst en vervolgens elektrolytisch verzinkt. De specifieke waarden van het totale koppel werden in detail geregistreerd, terwijl het schroefdraadkoppel en het lageroppervlakkoppel werden gescheiden om de wrijvingscoëfficiënt nauwkeurig te berekenen en de koppelverdelingswet te analyseren. Drie-dimensionale topografische scantechnologie werd gebruikt om ruwheid-gerelateerde parameters te extraheren, en de parameterveranderingen vóór en na het vastdraaien werden vergeleken om de intrinsieke correlatie tussen wrijvingsgedrag en microtopografie te onderzoeken. Dit ontwerp houdt niet alleen rekening met mechanische prestaties, maar duikt ook op het microniveau en onthult de fundamentele redenen voor veranderingen in de verdeling van het boutkoppel en de wrijvingscoëfficiënt.

3. Testverificatiemethode

Op basis van bovenstaand schema werd een testapparaat gebouwd dat voldoet aan de ISO 16047-norm en dat koppel en klemkracht nauwkeurig kan meten. Het testproces omvat de volgende links:

Vastzetten en belasten van bouten: installeer de bout op een gestandaardiseerde testbank, pas een ingesteld koppel toe en registreer -realtime de waarden van het totale koppel, het schroefdraadkoppel, het koppel van het lageroppervlak en de klemkracht;

Wrijvingsscheidingsmeting: Scheid draadwrijving van lageroppervlakwrijving door de speciale structuur van het apparaat en sensoren om de nauwkeurigheid van de berekening van de wrijvingscoëfficiënt te garanderen;

Topografische scanopstelling: Voer vóór en na elke aandraaibewerking een drie-dimensionale scan uit op het lageroppervlak van de boutkop en het sluitringoppervlak om informatie over micron--niveau vast te leggen;

Extractie en analyse van parameters: Extraheer ruwheid-gerelateerde parameters en combineer deze met wrijvingsgegevens om de corresponderende relatie tussen veranderingen in de oppervlaktetopografie en wrijvingsgedrag te analyseren.

Onderstaande figuur toont de opbouw van de proefbank en de specifieke posities van de meetpunten.

4. Analyse van topografieresultaten

De testgegevens brachten verschillende belangrijke fenomenen aan het licht die helpen om de fundamentele factoren die de koppelverdeling en wrijvingscoëfficiënt bepalen diepgaand te begrijpen:

4.1 Dynamische veranderingen van wrijvingscoëfficiënt

Tijdens het aandraaiproces is de wrijvingscoëfficiënt niet constant, maar verandert deze voortdurend met de contacttoestand. Over het algemeen is de wrijvingscoëfficiënt van het lageroppervlak ongeveer 44% hoger dan de wrijvingscoëfficiënt van de schroefdraad, wat aangeeft dat het grootste deel van het koppel wordt verbruikt op het lageroppervlak in plaats van op het schroefdraadoppervlak.

4.2 Aanzienlijke koppeldispergeerbaarheid

Zelfs als hetzelfde klemkrachtdoel is ingesteld, kan het verschil in het vereiste koppel bijna het dubbele zijn. Zo hebben sommige bouten een aanhaalmoment van 96,7 Nm nodig, terwijl andere slechts 54,5 Nm nodig hebben. Deze dispergeerbaarheid van koppelwaarden wordt rechtstreeks veroorzaakt door de instabiliteit van de wrijvingscoëfficiënt.

4.3 Significante evolutie van oppervlaktetopografie

Uit de drie-scanresultaten blijkt dat de ruwheidsparameters van het lageroppervlak aanzienlijke veranderingen hebben ondergaan:

Sq (wortelgemiddelde kwadratische ruwheid) nam af van ongeveer 5,3 μm naar 1,04 μm, en het oppervlak werd gladder;

Ssk (scheefheid) werd negatief, wat wijst op een verandering in de verdeling van oppervlaktepieken en -dalen, waarbij meer materiaal geconcentreerd was in de lage punten (valleien) van het oppervlak, en de putkenmerken werden duidelijker;

De waarde van Sku (kurtosis) nam toe, wat betekent dat het draagvermogen van het oppervlak werd vergroot.

Deze veranderingen geven aan dat tijdens het aandraaiproces het oppervlak plastische vervorming ondergaat, het werkelijke contactoppervlak toeneemt en het wrijvingsgedrag dienovereenkomstig verandert. De onderstaande afbeelding toont de drie- dimensionale topografie van het draagoppervlak van de boutkop voor en na het vastdraaien: vóór het vastdraaien vertoont het oppervlak een duidelijke ruwe piek-dalstructuur; na het vastdraaien worden de ruwe pieken afgeschoren, heeft het oppervlak de neiging vlak te zijn en is de richting duidelijker. Dit laat zien dat wrijving niet alleen energie verbruikt, maar ook de oppervlaktestructuur op microniveau hervormt.

De onderstaande figuur markeert duidelijk de wrijvingssporen en plastische vervormingsgebieden op het lageroppervlak door middel van microscopische observatie: er zijn op sommige gebieden aanzienlijke krassen en de richting van de krassen komt overeen met de rotatierichting van de bout, wat aangeeft dat wrijving materiaalstroom en oppervlakteschade heeft veroorzaakt.

De onderstaande afbeelding toont de ongelijke kenmerken van contact met het lageroppervlak: het werkelijke contactoppervlak is veel kleiner dan het nominale oppervlak, en de belasting is geconcentreerd in een paar microgebieden, wat leidt tot lokale hoge- spanningstoestanden en plastische vervorming. Dit ongelijkmatige contact is de belangrijkste factor die schommelingen in de wrijvingscoëfficiënt veroorzaakt.