อะไรเป็นตัวกำหนดการกระจายแรงบิดของโบลต์และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน

เนื่องจากเป็นตัวบ่งชี้หลักในการควบคุมแรงจับยึดของโบลต์ ความจริงก็คือแรงบิดในการขันส่วนใหญ่จะสูญเสียไปเนื่องจากการเสียดสี โดยมีเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้นที่ถูกแปลงเป็นแรงจับยึดจริงๆ แล้วปัจจัยอะไรเป็นตัวกำหนดการกระจายแรงบิดของโบลต์และขนาดของค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานในที่สุด วันนี้ บรรณาธิการจาก Jiangsu Jinrui จะแบ่งปันการศึกษาเชิงประจักษ์จากการวิเคราะห์ไมโครโทโพกราฟี ซึ่งเผยให้เห็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อการกระจายแรงบิดของโบลต์และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ซึ่งเป็นพื้นฐานที่แข็งแกร่งในการบรรลุ-การยึดที่เชื่อถือได้สูง

1. ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานและการกระจายแรงบิด

เมื่อขันโบลต์ให้แน่น แรงบิดขาเข้าจะไม่ถูกใช้ทั้งหมดเพื่อยืดโบลต์และสร้างแรงจับยึด ที่จริงแล้ว แรงบิดจะถูกกระจายไปตามเส้นทางการบริโภคสามเส้นทาง:

แรงเสียดทานของเกลียว: แรงเสียดทานเกิดขึ้นในบริเวณหน้าสัมผัสของเกลียวระหว่างสลักเกลียวและน็อต ซึ่งใช้แรงบิดจำนวนมาก

แรงเสียดทานที่พื้นผิวแบริ่ง: แรงเสียดทานยังมีอยู่ระหว่างหัวโบลต์กับแหวนรองหรือพื้นผิวของส่วนประกอบที่เชื่อมต่อ และแรงบิดที่ใช้ในส่วนนี้จะมีสัดส่วนที่มากขึ้น

ผลกระทบของมุมลีดของเกลียว (เช่น ส่วนประกอบพรีโหลดที่มีประสิทธิภาพ): แรงบิดเพียงส่วนนี้เท่านั้นที่จะใช้ในการยืดสลักเกลียวและสร้างแรงจับยึด

ผลการศึกษาพบว่าประมาณ 85% ถึง 90% ของแรงบิดถูกใช้เพื่อเอาชนะแรงเสียดทาน และมีเพียง 10% เท่านั้นที่ถูกแปลงเป็นแรงดึงของสลักเกลียว

ซึ่งหมายความว่าเมื่อค่าสัมประสิทธิ์การเสียดสีเปลี่ยนแปลง ประสิทธิภาพการแปลงแรงบิดจะเปลี่ยนไปตามนั้น ส่งผลให้เกิดความแตกต่างที่เป็นไปได้มากกว่าสองเท่าในแรงจับยึดที่สร้างขึ้นภายใต้แรงบิดเดียวกัน ดังนั้นจึงไม่น่าเชื่อถือที่จะล็อคแรงจับยึดด้วยแรงบิดเพียงอย่างเดียว

2. การออกแบบโครงการ

เพื่อสำรวจปัจจัยหลักอย่างลึกซึ้งซึ่งกำหนดการกระจายแรงบิดของโบลต์และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ห้องปฏิบัติการไทรโบโลยีของ École Centrale de Lyon ในฝรั่งเศสได้ออกแบบแผนการทดลองอย่างเป็นระบบ เป้าหมายหลักของโครงการนี้คือการรวมการทดสอบทางกลเข้ากับการวิเคราะห์ไมโครโทกราฟีพื้นผิว เพื่อสร้างความสัมพันธ์เชิงสาเหตุระหว่างพฤติกรรมการเสียดสีและโครงสร้างจุลภาค

การทดลองดำเนินการตามมาตรฐาน ISO 16047 สำหรับการทดสอบแรงจับยึดแรงบิด- สลักเกลียวที่ใช้เป็นมาตรฐาน M10×60 ทำจากเหล็ก 30MnB4 ซึ่งมี-หัวเย็น รีดเกลียว- แล้วจึงชุบสังกะสีด้วยไฟฟ้า ค่าเฉพาะของแรงบิดทั้งหมดได้รับการบันทึกโดยละเอียด ในขณะที่แรงบิดเกลียวและแรงบิดพื้นผิวแบริ่งถูกแยกออกเพื่อคำนวณค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานอย่างแม่นยำ และวิเคราะห์กฎการกระจายแรงบิด เทคโนโลยีการสแกนภูมิประเทศสามมิติ-ถูกนำมาใช้เพื่อแยกพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับความหยาบ- และเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ก่อนและหลังการกระชับเพื่อสำรวจความสัมพันธ์ภายในระหว่างพฤติกรรมการเสียดสีและภูมิประเทศขนาดเล็ก การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่พิจารณาถึงสมรรถนะทางกลเท่านั้น แต่ยังเจาะลึกถึงระดับจุลภาคอีกด้วย ซึ่งเผยให้เห็นสาเหตุพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงการกระจายแรงบิดของโบลต์และค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน

3. วิธีการตรวจสอบการทดสอบ

ตามรูปแบบข้างต้น อุปกรณ์ทดสอบที่เป็นไปตามมาตรฐาน ISO 16047 ได้ถูกสร้างขึ้น ซึ่งสามารถวัดแรงบิดและแรงจับยึดได้อย่างแม่นยำ กระบวนการทดสอบประกอบด้วยลิงก์ต่อไปนี้:

การยึดและการโหลดโบลต์: ติดตั้งโบลต์บนแท่นทดสอบที่ได้มาตรฐาน ใช้แรงบิดที่ตั้งไว้ และบันทึกค่าของแรงบิดรวม แรงบิดเกลียว แรงบิดพื้นผิวแบริ่ง และแรงจับยึด-แบบเรียลไทม์

การวัดการแยกแรงเสียดทาน: แยกแรงเสียดทานของเกลียวออกจากแรงเสียดทานของพื้นผิวแบริ่งผ่านโครงสร้างพิเศษของอุปกรณ์และเซ็นเซอร์เพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของการคำนวณค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน

การจัดการสแกนภูมิประเทศ: ก่อนและหลังการขันแต่ละครั้ง ให้ทำการสแกนสามมิติ-บนพื้นผิวแบริ่งของหัวสลักเกลียวและพื้นผิวแหวนรองเพื่อเก็บข้อมูลคุณสมบัติระดับไมครอน-

การดึงและการวิเคราะห์พารามิเตอร์: แยกพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับความหยาบ-แล้วรวมเข้ากับข้อมูลแรงเสียดทานเพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันระหว่างการเปลี่ยนแปลงภูมิประเทศของพื้นผิวและพฤติกรรมการเสียดสี

รูปด้านล่างแสดงโครงสร้างของแท่นทดสอบและตำแหน่งเฉพาะของจุดวัด

4. การวิเคราะห์ผลภูมิประเทศ

ข้อมูลการทดสอบเผยให้เห็นปรากฏการณ์สำคัญหลายประการที่ช่วยให้เข้าใจปัจจัยพื้นฐานที่กำหนดการกระจายแรงบิดและสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานอย่างลึกซึ้ง:

4.1 การเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกของค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน

ในระหว่างกระบวนการกระชับ ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานไม่คงที่ แต่จะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องตามสถานะการสัมผัส โดยทั่วไป ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานพื้นผิวแบริ่งจะสูงกว่าค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานของเกลียวประมาณ 44% ซึ่งบ่งชี้ว่าแรงบิดส่วนใหญ่ถูกใช้บนพื้นผิวแบริ่งมากกว่าพื้นผิวเกลียว

4.2 การกระจายตัวของแรงบิดอย่างมีนัยสำคัญ

แม้ว่าจะตั้งค่าแรงจับยึดเป้าหมายเดียวกัน ความแตกต่างของแรงบิดที่ต้องการก็อาจเกือบสองเท่า ตัวอย่างเช่น สลักเกลียวบางตัวต้องการแรงบิด 96.7 นิวตันเมตร ในขณะที่บางตัวต้องการแรงบิดเพียง 54.5 นิวตันเมตรเท่านั้น การกระจายตัวของค่าแรงบิดนี้เกิดขึ้นโดยตรงจากความไม่เสถียรของค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน

4.3 วิวัฒนาการที่สำคัญของภูมิประเทศพื้นผิว

ผลการสแกนสามมิติ-แสดงให้เห็นว่าพารามิเตอร์ความหยาบของพื้นผิวตลับลูกปืนมีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ:

Sq (ความหยาบของรากเฉลี่ยกำลังสอง) ลดลงจากประมาณ 5.3 μm เป็น 1.04 μm และพื้นผิวก็เรียบเนียนขึ้น

Ssk (ความเบ้) กลายเป็นลบ ซึ่งบ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงในการกระจายตัวของยอดเขาและหุบเขาบนพื้นผิว โดยที่วัสดุกระจุกตัวอยู่ในจุดต่ำ (หุบเขา) ของพื้นผิวมากขึ้น และลักษณะของหลุมก็ชัดเจนมากขึ้น

ค่าของ Sku (kurtosis) เพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าความสามารถในการรับน้ำหนักของพื้นผิวเพิ่มขึ้น

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้บ่งชี้ว่าในระหว่างกระบวนการกระชับ พื้นผิวจะเกิดการเสียรูปแบบพลาสติก พื้นที่สัมผัสจริงจะเพิ่มขึ้น และพฤติกรรมการเสียดสีจะเปลี่ยนไปตามนั้น รูปภาพด้านล่างแสดงภูมิประเทศสามมิติ-ของพื้นผิวแบริ่งของหัวโบลต์ก่อนและหลังการขันให้แน่น: ก่อนที่จะขันให้แน่น พื้นผิวจะแสดงจุดสูงสุดที่หยาบชัดเจน-โครงสร้างของหุบเขา หลังจากขันให้แน่นแล้ว ยอดเขาที่หยาบจะถูกตัดออก พื้นผิวมีแนวโน้มที่จะเรียบ และทิศทางจะชัดเจนยิ่งขึ้น นี่แสดงให้เห็นว่าแรงเสียดทานไม่เพียงแต่สิ้นเปลืองพลังงาน แต่ยังปรับโครงสร้างพื้นผิวใหม่ในระดับจุลภาคอีกด้วย

รูปด้านล่างแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงรอยเสียดสีและพื้นที่การเปลี่ยนรูปพลาสติกบนพื้นผิวตลับลูกปืนผ่านการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์: มีรอยขีดข่วนที่สำคัญในบางพื้นที่ และทิศทางการขยายของรอยขีดข่วนนั้นสอดคล้องกับทิศทางการหมุนของสลักเกลียว ซึ่งบ่งชี้ว่าแรงเสียดทานทำให้เกิดการไหลของวัสดุและความเสียหายที่พื้นผิว

รูปด้านล่างแสดงลักษณะที่ไม่สม่ำเสมอของการสัมผัสพื้นผิวแบริ่ง: พื้นที่สัมผัสจริงมีขนาดเล็กกว่าพื้นที่ระบุมากและโหลดกระจุกตัวอยู่ในพื้นที่ขนาดเล็กไม่กี่จุด ทำให้เกิดสภาวะความเครียดสูง-ในท้องถิ่นและการเสียรูปพลาสติก การสัมผัสที่ไม่สม่ำเสมอนี้เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดความผันผวนของค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน