چه چیزی توزیع گشتاور پیچ و ضریب اصطکاک را تعیین می کند؟

به عنوان یک شاخص اصلی برای کنترل نیروی بستن پیچ و مهره، واقعیت این است که بیشتر گشتاور سفت شدن از طریق اصطکاک از بین می رود و تنها بخش کوچکی در واقع به نیروی گیره تبدیل می شود. بنابراین، چه عواملی در نهایت توزیع گشتاور پیچ و بزرگی ضریب اصطکاک را تعیین می‌کنند؟ امروز، ویراستار از Jiangsu Jinrui یک مطالعه تجربی مبتنی بر تجزیه و تحلیل میکروتوپوگرافی را به اشتراک می‌گذارد، که فاکتورهای کلیدی مؤثر بر توزیع گشتاور پیچ و ضریب اصطکاک را نشان می‌دهد، و مبنایی قوی برای دستیابی به -چفت‌کشی با قابلیت اطمینان بالا ارائه می‌کند.

1. ضریب اصطکاک و توزیع گشتاور

هنگام سفت کردن پیچ، گشتاور ورودی به طور کامل برای کشش پیچ و ایجاد نیروی گیره استفاده نمی شود. در واقع، گشتاور بین سه مسیر مصرف توزیع می شود:

اصطکاک نخ: اصطکاک در ناحیه تماس رزوه بین پیچ و مهره رخ می دهد و مقدار زیادی گشتاور مصرف می کند.

اصطکاک سطح بلبرینگ: اصطکاک بین سر پیچ و واشر یا سطح قطعه متصل نیز وجود دارد و گشتاور مصرفی در این قسمت نسبت بیشتری را به خود اختصاص می دهد.

اثر زاویه سرب رزوه (یعنی جزء موثر پیش بارگذاری): فقط این قسمت از گشتاور واقعاً برای کشش پیچ و در نتیجه ایجاد نیروی گیره استفاده می شود.

مطالعات نشان داده اند که تقریباً 85 تا 90 درصد گشتاور برای غلبه بر اصطکاک استفاده می شود و تنها حدود 10 درصد آن به نیروی کششی پیچ تبدیل می شود.

این بدان معنی است که هنگامی که ضریب اصطکاک تغییر می کند، بازده تبدیل گشتاور مطابق با آن تغییر می کند و در نتیجه اختلاف احتمالی بیش از دو برابر در نیروی گیره ایجاد شده تحت همان گشتاور ایجاد می شود. بنابراین، قفل کردن نیروی گیره تنها با گشتاور غیرقابل اعتماد است.

2. طراحی طرح

برای بررسی عمیق عوامل اصلی تعیین کننده توزیع گشتاور پیچ و ضریب اصطکاک، آزمایشگاه تریبولوژی اکول سنترال دی لیون در فرانسه یک طرح آزمایشی سیستماتیک طراحی کرد. هدف اصلی این طرح ترکیب آزمایش مکانیکی با تجزیه و تحلیل میکروتوپوگرافی سطحی برای ایجاد یک رابطه علی بین رفتار اصطکاک و ریزساختار است.

این آزمایش مطابق با استاندارد ISO 16047 برای آزمایش نیروی گیره‌ای گشتاور- انجام شد. پیچ و مهره های مورد استفاده از مشخصات M10×60، ساخته شده از فولاد 30MnB4، که سر-سرد، رزوه-نورد و سپس الکتروگالوانیزه شده بودند. مقادیر ویژه گشتاور کل با جزئیات ثبت شد، در حالی که گشتاور نخ و گشتاور سطح یاتاقان برای محاسبه دقیق ضریب اصطکاک و تجزیه و تحلیل قانون توزیع گشتاور از هم جدا شدند. فناوری اسکن توپوگرافی سه بعدی برای استخراج پارامترهای مربوط به زبری{12}}استفاده شد و تغییرات پارامتر قبل و بعد از سفت کردن برای بررسی همبستگی ذاتی بین رفتار اصطکاک و میکروتوپوگرافی مقایسه شد. این طراحی نه تنها عملکرد مکانیکی را در نظر می گیرد، بلکه در سطح میکرو نیز بررسی می شود و دلایل اساسی تغییرات در توزیع گشتاور پیچ و ضریب اصطکاک را آشکار می کند.

3. روش تأیید آزمایش

بر اساس طرح فوق، یک دستگاه تست مطابق با استاندارد ISO 16047 ساخته شد که می تواند گشتاور و نیروی گیره را به دقت اندازه گیری کند. فرآیند آزمون شامل لینک های زیر است:

تثبیت و بارگذاری پیچ: پیچ را روی یک میز تست استاندارد نصب کنید، یک گشتاور تنظیم شده اعمال کنید و-مقادیر گشتاور کل، گشتاور رزوه، گشتاور سطح یاتاقان و نیروی گیره را در زمان واقعی ثبت کنید.

اندازه گیری جداسازی اصطکاک: برای اطمینان از دقت محاسبه ضریب اصطکاک، اصطکاک نخ را از اصطکاک سطح بلبرینگ از طریق ساختار ویژه دستگاه و سنسورها جدا کنید.

ترتیب اسکن توپوگرافی: قبل و بعد از هر عملیات سفت کردن، اسکن سه بعدی را روی سطح بلبرینگ سر پیچ و سطح واشر انجام دهید تا اطلاعات ویژگی های سطح میکرونی-را بدست آورید.

استخراج و تحلیل پارامتر: پارامترهای مربوط به زبری{0}}را استخراج کنید و آنها را با داده های اصطکاک ترکیب کنید تا رابطه متناظر بین تغییرات توپوگرافی سطح و رفتار اصطکاک را تجزیه و تحلیل کنید.

شکل زیر ساختار میز تست و موقعیت های خاص نقاط اندازه گیری را نشان می دهد.

4. تجزیه و تحلیل نتایج توپوگرافی

داده های آزمایش چندین پدیده کلیدی را نشان داد که به درک عمیق عوامل اساسی تعیین کننده توزیع گشتاور و ضریب اصطکاک کمک می کند:

4.1 تغییرات دینامیکی ضریب اصطکاک

در طول فرآیند سفت کردن، ضریب اصطکاک ثابت نیست، اما به طور مداوم با حالت تماس تغییر می کند. به طور کلی، ضریب اصطکاک سطح یاتاقان حدود 44٪ بیشتر از ضریب اصطکاک رزوه است، که نشان می دهد بیشتر گشتاور به جای سطح رزوه، روی سطح یاتاقان مصرف می شود.

4.2 پراکندگی گشتاور قابل توجه

حتی زمانی که همان هدف نیروی گیره تنظیم می شود، تفاوت در گشتاور مورد نیاز ممکن است تقریبا دو برابر شود. به عنوان مثال، برخی از پیچ ها به گشتاور 96.7 نیوتن متر نیاز دارند، در حالی که برخی دیگر فقط به 54.5 نیوتن متر نیاز دارند. این پراکندگی مقادیر گشتاور مستقیماً ناشی از ناپایداری ضریب اصطکاک است.

4.3 تکامل قابل توجه توپوگرافی سطح

نتایج اسکن سه بعدی نشان می دهد که پارامترهای زبری سطح یاتاقان دچار تغییرات قابل توجهی شده است:

مربع (میانگین زبری مربع ریشه) از حدود 5.3 میکرومتر به 1.04 میکرومتر کاهش یافت و سطح صاف تر شد.

Ssk (چولگی) منفی شد، که نشان دهنده تغییر در توزیع قله ها و دره های سطحی است، با مواد بیشتر متمرکز در نقاط پایین (دره) سطح، و ویژگی های گودال آشکارتر شد.

ارزش Sku (kurtosis) افزایش یافت، به این معنی که ظرفیت باربری سطح افزایش یافت.

این تغییرات نشان می دهد که در طول فرآیند سفت شدن، سطح تحت تغییر شکل پلاستیکی قرار می گیرد، سطح تماس واقعی افزایش می یابد و رفتار اصطکاک متناسب با آن تغییر می کند. شکل زیر توپوگرافی سه بعدی سطح یاتاقان سر پیچ قبل و بعد از سفت شدن را نشان می دهد: قبل از سفت شدن، سطح یک قله ناهموار آشکار-ساختار دره را نشان می دهد. پس از سفت شدن، قله های ناهموار بریده می شوند، سطح تمایل به صاف شدن دارد و جهت گیری آشکارتر است. این نشان می دهد که اصطکاک نه تنها انرژی مصرف می کند بلکه ساختار سطح را در سطح خرد تغییر شکل می دهد.

شکل زیر به وضوح علائم اصطکاک و نواحی تغییر شکل پلاستیک را بر روی سطح یاتاقان از طریق مشاهده میکروسکوپی مشخص می کند: خراش های قابل توجهی در برخی مناطق وجود دارد و جهت گسترش خراش ها با جهت چرخش پیچ مطابقت دارد و نشان می دهد که اصطکاک باعث جریان مواد و آسیب به سطح شده است.

شکل زیر ویژگی‌های ناهموار تماس سطح بلبرینگ را نشان می‌دهد: سطح تماس واقعی بسیار کوچک‌تر از سطح اسمی است، و بار در چند ناحیه کوچک متمرکز شده است که منجر به تنش‌های محلی-و تغییر شکل پلاستیک می‌شود. این تماس ناهموار عامل اصلی ایجاد نوسانات در ضریب اصطکاک است.