Что определяет распределение крутящего момента болта и коэффициент трения?
Dec 17, 2025
В качестве основного индикатора контроля силы зажима болта реальность такова, что большая часть момента затяжки теряется из-за трения, и лишь небольшая часть фактически преобразуется в усилие зажима. Итак, какие факторы в конечном итоге определяют распределение крутящего момента затвора и величину коэффициента трения? Сегодня редактор из Цзянсу Цзиньжуй поделится эмпирическим исследованием, основанным на анализе микротопографии, которое выявляет ключевые факторы, влияющие на распределение крутящего момента болта и коэффициент трения, обеспечивая прочную основу для достижения высокой-надежности крепления.
1. Коэффициент трения и распределение крутящего момента
При затягивании болта входной крутящий момент не полностью используется для растяжения болта и создания усилия зажима. Фактически крутящий момент распределяется по трем путям потребления:
Трение резьбы. Трение возникает в зоне контакта резьбы между болтом и гайкой, потребляя большой крутящий момент;
Трение поверхности подшипника. Трение также существует между головкой болта и шайбой или поверхностью соединяемого компонента, и крутящий момент, потребляемый в этой части, составляет большую долю;
Эффект угла подъема резьбы (т. е. эффективная составляющая предварительного натяга): только эта часть крутящего момента действительно используется для растяжения болта и, таким образом, для формирования зажимного усилия.
Исследования показали, что примерно от 85% до 90% крутящего момента используется для преодоления трения, и только около 10% преобразуется в силу растяжения болта.
Это означает, что как только коэффициент трения изменится, эффективность преобразования крутящего момента изменится соответствующим образом, что приведет к возможной разнице более чем в два раза в силе зажима, создаваемой при одном и том же крутящем моменте. Поэтому ненадежно фиксировать усилие зажима только за счет крутящего момента.
2. Разработка схемы
Чтобы глубже изучить основные факторы, определяющие распределение крутящего момента болтов и коэффициент трения, Лаборатория трибологии Центральной школы Лиона во Франции разработала систематическую экспериментальную схему. Основная цель этой схемы — объединить механические испытания с анализом микротопографии поверхности, чтобы установить причинно-следственную связь между поведением трения и микроструктурой.
Эксперимент проводился в соответствии со стандартом ISO 16047 для испытания крутящего момента-силы зажима. Использовались болты спецификации M10×60, изготовленные из стали 30MnB4, с холодной-выплавкой, резьбой-накаткой, а затем гальваническим способом. Конкретные значения общего крутящего момента были подробно записаны, а крутящий момент резьбы и крутящий момент поверхности подшипника были разделены для точного расчета коэффициента трения и анализа закона распределения крутящего момента. Технология трехмерного сканирования топографии использовалась для извлечения параметров, связанных с шероховатостью-, а изменения параметров до и после затяжки сравнивались для изучения внутренней корреляции между поведением трения и микрорельефом. Эта конструкция не только учитывает механические характеристики, но и углубляется на микроуровень, раскрывая фундаментальные причины изменений в распределении крутящего момента болта и коэффициенте трения.
3. Метод тестовой проверки
На основе приведенной схемы было построено испытательное устройство, соответствующее стандарту ISO 16047, позволяющее точно измерять крутящий момент и усилие зажима. Процесс тестирования включает в себя следующие ссылки:
Крепление и нагрузка болта. Установите болт на стандартном испытательном стенде, примените заданный крутящий момент и записывайте в реальном-времени значения общего крутящего момента, крутящего момента резьбы, крутящего момента поверхности подшипника и силы зажима;
Измерение разделения трения: разделение трения резьбы и трения поверхности подшипника с помощью специальной конструкции устройства и датчиков для обеспечения точности расчета коэффициента трения;
Схема сканирования топографии: до и после каждой операции затяжки выполняйте трехмерное-сканирование опорной поверхности головки болта и поверхности шайбы, чтобы получить информацию об элементах-на микронном уровне;
Извлечение и анализ параметров. Извлекайте параметры, связанные с шероховатостью-, и объединяйте их с данными о трении, чтобы проанализировать соответствующую взаимосвязь между изменениями топографии поверхности и поведением трения.
На рисунке ниже показана конструкция испытательного стенда и расположение точек измерения.
4. Анализ результатов топографии.
Данные испытаний выявили несколько ключевых явлений, которые помогают глубоко понять фундаментальные факторы, определяющие распределение крутящего момента и коэффициент трения:
4.1 Динамические изменения коэффициента трения
В процессе затяжки коэффициент трения не является постоянным, а постоянно меняется в зависимости от состояния контакта. Как правило, коэффициент трения поверхности подшипника примерно на 44% выше, чем коэффициент трения резьбы, что указывает на то, что большая часть крутящего момента потребляется на поверхности подшипника, а не на поверхности резьбы.
4.2 Значительная дисперсия крутящего момента
Даже если задано одинаковое целевое усилие зажима, разница в требуемом крутящем моменте может быть почти вдвое. Например, для некоторых болтов требуется момент затяжки 96,7 Нм, а для других — всего 54,5 Нм. Такая дисперсия значений крутящего момента напрямую вызвана нестабильностью коэффициента трения.
4.3 Значительная эволюция топографии поверхности
Результаты трехмерного-сканирования показывают, что параметры шероховатости опорной поверхности претерпели существенные изменения:
Sq (среднеквадратическая шероховатость) уменьшилась примерно с 5,3 мкм до 1,04 мкм, поверхность стала более гладкой;
Ssk (асимметрия) стала отрицательной, что указывает на изменение распределения выступов и впадин на поверхности: больше материала сконцентрировалось в нижних точках (впадинах) поверхности, а особенности ям стали более очевидными;
Значение Sku (эксцесса) увеличилось, что означает повышение несущей способности поверхности.
Эти изменения указывают на то, что в процессе затяжки поверхность подвергается пластической деформации, реальная площадь контакта увеличивается и соответственно изменяется поведение трения. На рисунке ниже показана трехмерная-топография опорной поверхности головки болта до и после затяжки: до затяжки поверхность имеет очевидную шероховатую структуру с пиками-впадинами; после затяжки грубые выступы срезаются, поверхность становится плоской, а направленность становится более очевидной. Это показывает, что трение не только потребляет энергию, но и изменяет структуру поверхности на микроуровне.
На рисунке ниже четко обозначены следы трения и области пластической деформации на поверхности подшипника посредством микроскопического наблюдения: на некоторых участках имеются значительные царапины, а направление распространения царапин соответствует направлению вращения болта, что указывает на то, что трение вызвало растекание материала и повреждение поверхности.
На рисунке ниже представлены неравномерные характеристики контакта поверхности подшипника: фактическая площадь контакта намного меньше номинальной площади, а нагрузка концентрируется на нескольких микрообластях, что приводит к локальным состояниям высокого-напряжения и пластической деформации. Этот неравномерный контакт является ключевым фактором, вызывающим колебания коэффициента трения.
