Kaj določa porazdelitev navora vijaka in koeficient trenja?

Kot osrednji indikator za nadzor vpenjalne sile vijaka je resničnost taka, da se večina zateznega momenta izgubi zaradi trenja, pri čemer se le majhen del dejansko pretvori v vpenjalno silo. Torej, kateri dejavniki na koncu določajo porazdelitev navora vijakov in velikost koeficienta trenja? Danes bo urednik iz Jiangsu Jinrui delil empirično študijo, ki temelji na analizi mikrotopografije, ki razkriva ključne dejavnike, ki vplivajo na porazdelitev navora vijakov in koeficient trenja, kar zagotavlja trdno osnovo za doseganje visoko-zanesljivega pritrjevanja.

1. Torni koeficient in porazdelitev navora

Pri zategovanju vijaka se vhodni navor ne uporabi v celoti za raztezanje vijaka in ustvarjanje vpenjalne sile. Pravzaprav je navor porazdeljen med tri poti porabe:

Trenje navoja: Trenje se pojavi v območju stika navoja med sornikom in matico, pri čemer se porabi velik navor;

Trenje na nosilni površini: Trenje obstaja tudi med glavo vijaka in podložko ali površino povezane komponente, navor, porabljen v tem delu, pa predstavlja večji delež;

Učinek kota vodila navoja (tj. efektivna komponenta prednapetosti): samo ta del navora se resnično uporabi za raztezanje sornika in s tem za oblikovanje vpenjalne sile.

Študije so pokazale, da se približno 85 % do 90 % navora porabi za premagovanje trenja in le približno 10 % se pretvori v natezno silo vijaka.

To pomeni, da ko se koeficient trenja spremeni, se ustrezno spremeni tudi učinkovitost pretvorbe navora, kar povzroči morebitno več kot dvojno razliko v vpenjalni sili, ki nastane pri istem navoru. Zato je nezanesljivo blokirati vpenjalno silo samo z navorom.

2. Načrtovanje sheme

Da bi poglobljeno raziskali ključne dejavnike, ki določajo porazdelitev navora vijakov in koeficient trenja, je Laboratorij za tribologijo École Centrale de Lyon v Franciji zasnoval sistematično eksperimentalno shemo. Glavni cilj te sheme je združiti mehansko testiranje z analizo površinske mikrotopografije, da se vzpostavi vzročna povezava med trenjem in mikrostrukturo.

Poskus je bil izveden v skladu s standardom ISO 16047 za testiranje navora-vpenjalne sile. Uporabljeni vijaki so bili specifikacije M10×60, izdelani iz jekla 30MnB4, ki so bili s hladno-glavo,-valjani z navoji in nato galvanizirani. Specifične vrednosti celotnega navora so bile podrobno zabeležene, medtem ko sta bila navor navoja in navor površine ležaja ločena za natančen izračun koeficienta trenja in analizo zakona porazdelitve navora. Tri{11}}tehnologija skeniranja topografije je bila uporabljena za izločanje parametrov,-povezanih s hrapavostjo, spremembe parametrov pred in po zategovanju pa so bile primerjane, da bi raziskali intrinzično korelacijo med trenjem in mikrotopografijo. Ta zasnova ne upošteva le mehanske zmogljivosti, ampak se poglobi tudi na mikro raven in razkrije temeljne razloge za spremembe porazdelitve navora vijakov in koeficienta trenja.

3. Preskusna metoda preverjanja

Na osnovi zgornje sheme je bila zgrajena testna naprava po standardu ISO 16047, ki lahko natančno meri navor in vpenjalno silo. Postopek testiranja vključuje naslednje povezave:

Pritrditev in obremenitev vijaka: namestite vijak na standardizirano preskusno napravo, uporabite nastavljen navor in-v realnem času zabeležite vrednosti skupnega navora, navora navoja, navora naležne površine in vpenjalne sile;

Merjenje ločevanja trenja: Ločite trenje niti od trenja površine ležaja s posebno strukturo naprave in senzorjev, da zagotovite natančnost izračuna koeficienta trenja;

Razporeditev topografskega skeniranja: Pred in po vsakem postopku zategovanja izvedite tri{0}}dimenzionalno skeniranje na nosilni površini glave vijaka in površini podložke, da zajamete informacije o značilnostih na ravni mikronov-;

Ekstrakcija in analiza parametrov: Izluščite parametre,-povezane s hrapavostjo, in jih združite s podatki o trenju, da analizirate ustrezno razmerje med spremembami topografije površine in obnašanjem zaradi trenja.

Spodnja slika prikazuje strukturo preskusne naprave in posebne položaje merilnih točk.

4. Analiza rezultatov topografije

Testni podatki so razkrili več ključnih pojavov, ki pomagajo poglobljeno razumeti temeljne dejavnike, ki določajo porazdelitev navora in koeficient trenja:

4.1 Dinamične spremembe koeficienta trenja

Med postopkom zategovanja koeficient trenja ni konstanten, ampak se nenehno spreminja s kontaktnim stanjem. Na splošno je koeficient trenja naležne površine približno 44 % višji od koeficienta trenja navoja, kar kaže, da se večina navora porabi na naležni površini in ne na površini navoja.

4.2 Pomembna disperzibilnost navora

Tudi če je nastavljena enaka ciljna sila vpenjanja, je lahko razlika v zahtevanem navoru skoraj dvakratna. Na primer, nekateri vijaki zahtevajo navor 96,7 Nm, drugi pa le 54,5 Nm. Ta disperzibilnost vrednosti navora je neposredno posledica nestabilnosti koeficienta trenja.

4.3 Pomemben razvoj topografije površja

Rezultati tri{0}}dimenzionalnega skeniranja kažejo, da so se parametri hrapavosti naležne površine precej spremenili:

Sq (povprečna kvadratna hrapavost) se je zmanjšala s približno 5,3 μm na 1,04 μm in površina je postala bolj gladka;

Ssk (poševnost) je postal negativen, kar kaže na spremembo v porazdelitvi površinskih vrhov in dolin, pri čemer je bilo več materiala koncentriranega v nižjih točkah (dolinah) površine, značilnosti jam so postale bolj očitne;

Povečala se je vrednost Sku (kurtosis), kar pomeni, da se je povečala nosilnost površine.

Te spremembe kažejo, da se med postopkom zategovanja površina plastično deformira, dejanska kontaktna površina se poveča in temu primerno se spremeni tudi trenje. Spodnja slika prikazuje tri{1}}dimenzionalno topografijo naležne površine glave vijaka pred in po privijanju: pred privijanjem ima površina očitno hrapavo konico-strukturo doline; po zategovanju so grobi vrhovi postriženi, površina je ponavadi ravna in usmerjenost je bolj očitna. To kaže, da trenje ne le porablja energijo, ampak tudi preoblikuje površinsko strukturo na mikroravni.

Spodnja slika jasno označuje sledi trenja in območja plastične deformacije na površini ležaja z mikroskopskim opazovanjem: na nekaterih območjih so znatne praske, smer razširitve prask pa je skladna s smerjo vrtenja vijaka, kar kaže, da je trenje povzročilo pretok materiala in poškodbo površine.

Spodnja slika prikazuje neenakomerne značilnosti kontaktne površine ležaja: dejanska kontaktna površina je veliko manjša od nazivne površine, obremenitev pa je koncentrirana na nekaj mikro območjih, kar vodi do lokalnih visoko-napetostnih stanj in plastične deformacije. Ta neenakomeren stik je ključni dejavnik, ki povzroča nihanja koeficienta trenja.