Co decyduje o rozkładzie momentu obrotowego śruby i współczynniku tarcia?
Dec 17, 2025
Jako główny wskaźnik kontroli siły docisku śruby, rzeczywistość jest taka, że większość momentu dokręcającego tracona jest w wyniku tarcia, a tylko niewielka jego część jest faktycznie przekształcana w siłę docisku. Jakie czynniki ostatecznie determinują rozkład momentu obrotowego śruby i wielkość współczynnika tarcia? Dzisiaj redaktor Jiangsu Jinrui podzieli się badaniem empirycznym opartym na analizie mikrotopografii, które ujawnia kluczowe czynniki wpływające na rozkład momentu obrotowego śruby i współczynnik tarcia, zapewniając silną podstawę do osiągnięcia wysokiej-niezawodności mocowania.
1. Współczynnik tarcia i rozkład momentu obrotowego
Podczas dokręcania śruby wejściowy moment obrotowy nie jest w całości wykorzystywany do rozciągnięcia śruby i wytworzenia siły zaciskającej. W rzeczywistości moment obrotowy rozkłada się na trzy ścieżki zużycia:
Tarcie gwintu: Tarcie występuje w obszarze styku gwintu pomiędzy śrubą i nakrętką, pochłaniając dużą ilość momentu obrotowego;
Tarcie powierzchni łożyska: Tarcie występuje również pomiędzy łbem śruby a podkładką lub powierzchnią łączonego elementu, a moment obrotowy zużywany w tej części ma większy udział;
Efekt kąta skoku gwintu (tzn. efektywna składowa napięcia wstępnego): Tylko ta część momentu obrotowego jest rzeczywiście wykorzystywana do rozciągnięcia śruby, a tym samym do wytworzenia siły docisku.
Badania wykazały, że około 85% do 90% momentu obrotowego wykorzystywane jest do pokonania tarcia, a tylko około 10% jest przekształcane na siłę rozciągającą śruby.
Oznacza to, że gdy zmieni się współczynnik tarcia, wydajność konwersji momentu obrotowego odpowiednio się zmieni, co spowoduje możliwą ponad dwukrotną różnicę w sile zaciskania generowanej przy tym samym momencie obrotowym. Dlatego blokowanie siły mocowania wyłącznie za pomocą momentu obrotowego jest zawodne.
2. Projekt schematu
Aby dogłębnie zbadać podstawowe czynniki determinujące rozkład momentu obrotowego śrub i współczynnik tarcia, Laboratorium Tribologiczne École Centrale de Lyon we Francji opracowało systematyczny schemat eksperymentalny. Podstawowym celem tego programu jest połączenie testów mechanicznych z analizą mikrotopografii powierzchni w celu ustalenia związku przyczynowego między zachowaniem podczas tarcia a mikrostrukturą.
Eksperyment przeprowadzono zgodnie z normą ISO 16047 dotyczącą badania momentu-siły zaciskania. Zastosowano śruby o specyfikacji M10×60, wykonane ze stali 30MnB4, które zostały-z łbem walcowanym na zimno,-walcowane z gwintem, a następnie cynkowane galwanicznie. Szczegółowo rejestrowano konkretne wartości całkowitego momentu obrotowego, natomiast moment obrotowy gwintu i moment powierzchniowy łożyska rozdzielono, aby dokładnie obliczyć współczynnik tarcia i przeanalizować prawo rozkładu momentu obrotowego. Zastosowano technologię-trójwymiarowego skanowania topografii w celu wyodrębnienia parametrów związanych z chropowatością-, a także porównano zmiany parametrów przed i po dokręceniu, aby zbadać wewnętrzną korelację między zachowaniem tarcia a mikrotopografią. Projekt ten uwzględnia nie tylko parametry mechaniczne, ale także sięga do poziomu mikro, ujawniając podstawowe przyczyny zmian w rozkładzie momentu obrotowego śrub i współczynniku tarcia.
3. Metoda weryfikacji testu
W oparciu o powyższy schemat zbudowano urządzenie badawcze zgodne z normą ISO 16047, które umożliwia dokładny pomiar momentu obrotowego i siły docisku. Proces testowy obejmuje następujące łącza:
Mocowanie i obciążanie śruby: zainstaluj śrubę na znormalizowanym stanowisku testowym, zastosuj ustawiony moment obrotowy i-rejestruj w czasie rzeczywistym wartości całkowitego momentu obrotowego, momentu obrotowego gwintu, momentu obrotowego powierzchni łożyska i siły docisku;
Pomiar separacji tarcia: Oddziel tarcie gwintu od tarcia powierzchni łożyska poprzez specjalną konstrukcję urządzenia i czujniki, aby zapewnić dokładność obliczenia współczynnika tarcia;
Układ skanowania topograficznego: przed i po każdej operacji dokręcania wykonaj-trójwymiarowe skanowanie powierzchni nośnej łba śruby i powierzchni podkładki, aby uchwycić informacje o cechach na poziomie mikronów-;
Ekstrakcja i analiza parametrów: wyodrębnij parametry związane z chropowatością-i połącz je z danymi dotyczącymi tarcia, aby przeanalizować odpowiednią zależność między zmianami topografii powierzchni a zachowaniem tarcia.
Poniższy rysunek przedstawia budowę stanowiska badawczego oraz konkretne położenie punktów pomiarowych.
4. Analiza wyników topografii
Dane testowe ujawniły kilka kluczowych zjawisk, które pomagają głęboko zrozumieć podstawowe czynniki determinujące rozkład momentu obrotowego i współczynnik tarcia:
4.1 Dynamiczne zmiany współczynnika tarcia
Podczas procesu dokręcania współczynnik tarcia nie jest stały, lecz stale zmienia się wraz ze stanem styku. Ogólnie rzecz biorąc, współczynnik tarcia powierzchni łożyska jest o około 44% wyższy niż współczynnik tarcia gwintu, co wskazuje, że większość momentu obrotowego jest zużywana na powierzchnię łożyska, a nie na powierzchnię gwintu.
4.2 Znacząca dyspersja momentu obrotowego
Nawet w przypadku ustawienia tej samej docelowej siły mocowania różnica w wymaganym momencie obrotowym może być prawie dwukrotnie większa. Na przykład niektóre śruby wymagają momentu obrotowego wynoszącego 96,7 Nm, podczas gdy inne wymagają jedynie 54,5 Nm. To rozproszenie wartości momentu obrotowego jest bezpośrednio spowodowane niestabilnością współczynnika tarcia.
4.3 Znacząca ewolucja topografii powierzchni
Wyniki-trójwymiarowego skanowania pokazują, że parametry chropowatości powierzchni łożyska uległy znaczącym zmianom:
Sq (średnia kwadratowa chropowatość) spadła z około 5,3 µm do 1,04 µm, a powierzchnia stała się gładsza;
Ssk (skośność) stała się ujemna, wskazując zmianę w rozmieszczeniu szczytów i dolin powierzchni, przy większej ilości materiału skoncentrowanego w najniższych punktach (dolinach) powierzchni, a cechy wgłębień stały się bardziej widoczne;
Zwiększyła się wartość Sku (kurtozy), co oznacza zwiększenie nośności powierzchni.
Zmiany te wskazują, że podczas procesu dokręcania powierzchnia ulega odkształceniu plastycznemu, zwiększa się rzeczywista powierzchnia styku i odpowiednio zmienia się zachowanie tarcia. Poniższy rysunek przedstawia-trójwymiarową topografię powierzchni nośnej łba śruby przed i po dokręceniu: przed dokręceniem powierzchnia ma wyraźną strukturę-doliny szczytowej; po dokręceniu szorstkie szczyty są ścinane, powierzchnia jest zwykle płaska, a kierunkowość jest bardziej oczywista. Pokazuje to, że tarcie nie tylko zużywa energię, ale także zmienia kształt struktury powierzchni na poziomie mikro.
Na poniższym rysunku wyraźnie zaznaczono ślady tarcia i obszary odkształceń plastycznych na powierzchni łożyska, obserwowane pod mikroskopem: w niektórych obszarach występują znaczne zarysowania, a kierunek rozszerzania się zarysowań jest zgodny z kierunkiem obrotu śruby, co wskazuje, że tarcie spowodowało przepływ materiału i uszkodzenie powierzchni.
Poniższy rysunek przedstawia nierównomierną charakterystykę styku powierzchni łożyska: rzeczywista powierzchnia styku jest znacznie mniejsza niż powierzchnia nominalna, a obciążenie koncentruje się w kilku mikroobszarach, co prowadzi do lokalnych-stanów wysokich naprężeń i odkształceń plastycznych. Ten nierówny kontakt jest kluczowym czynnikiem powodującym wahania współczynnika tarcia.
