Що визначає розподіл крутного моменту болта та коефіцієнт тертя?
Dec 17, 2025
Як основний індикатор для контролю сили затиску болта, реальність така, що більша частина моменту затягування втрачається через тертя, і лише невелика частина фактично перетворюється на силу затиску. Отже, які фактори в кінцевому рахунку визначають розподіл крутного моменту болта і величину коефіцієнта тертя? Сьогодні редактор із Jiangsu Jinrui поділиться емпіричним дослідженням, заснованим на аналізі мікротопографії, яке розкриває ключові фактори, що впливають на розподіл крутного моменту болтів і коефіцієнт тертя, забезпечуючи міцну основу для досягнення високо-надійного кріплення.
1. Коефіцієнт тертя і розподіл моменту
Під час затягування болта вхідний крутний момент не використовується повністю для розтягування болта та створення затискної сили. Фактично крутний момент розподіляється між трьома шляхами споживання:
Тертя різьби: Тертя виникає в зоні контакту різьби між болтом і гайкою, споживаючи великий крутний момент;
Тертя на поверхні підшипника: тертя також існує між головкою болта та шайбою або поверхнею з’єднаного компонента, і крутний момент, споживаний у цій частині, становить більшу частку;
Ефект кута нахилу різьби (тобто ефективна складова попереднього натягу): лише ця частина крутного моменту справді використовується для розтягування болта та формування затискної сили.
Дослідження показали, що приблизно від 85% до 90% крутного моменту використовується для подолання тертя, і лише приблизно 10% перетворюється на силу розтягування болта.
Це означає, що як тільки коефіцієнт тертя зміниться, ефективність перетворення крутного моменту буде відповідним чином змінюватися, що призведе до можливої різниці в більш ніж подвоєній силі затиску, що створюється при тому самому крутному моменті. Тому ненадійно зафіксувати силу затиску виключно крутним моментом.
2. Розробка схем
Для глибокого вивчення основних факторів, що визначають розподіл крутного моменту болта та коефіцієнт тертя, лабораторія трибології École Centrale de Lyon у Франції розробила систематичну експериментальну схему. Основна мета цієї схеми полягає в тому, щоб поєднати механічні випробування з аналізом мікротопографії поверхні, щоб встановити причинно-наслідковий зв’язок між поведінкою тертя та мікроструктурою.
Експеримент проводився відповідно до стандарту ISO 16047 для випробування крутного моменту-сили затиску. Використовувались болти зі специфікацією M10×60, виготовлені зі сталі 30MnB4, які були холодно-наконеними, різьбовими-накатаними, а потім оцинкованими. Конкретні значення загального крутного моменту були детально записані, тоді як крутний момент різьби та крутний момент опорної поверхні були розділені для точного розрахунку коефіцієнта тертя та аналізу закону розподілу крутного моменту. Тривимірну{11}}технологію сканування топографії використовували для виділення параметрів,-пов’язаних із шорсткістю, і порівнювали зміни параметрів до та після затягування, щоб дослідити внутрішню кореляцію між поведінкою тертя та мікрорельєфом. Ця конструкція враховує не лише механічні характеристики, але й заглиблюється на мікрорівень, виявляючи фундаментальні причини змін у розподілі крутного моменту болта та коефіцієнті тертя.
3. Тестовий метод перевірки
На основі вищенаведеної схеми було побудовано тестовий пристрій, що відповідає стандарту ISO 16047, який може точно вимірювати крутний момент і силу затиску. Процес тестування включає такі посилання:
Фіксація та навантаження болта: встановіть болт на стандартизованому випробувальному стенді, прикладіть заданий крутний момент і -записуйте значення загального крутного моменту, крутного моменту різьби, крутного моменту опорної поверхні та сили затиску в реальному часі;
Вимірювання поділу тертя: відокремте тертя нитки від тертя поверхні підшипника за допомогою спеціальної конструкції пристрою та датчиків, щоб забезпечити точність розрахунку коефіцієнта тертя;
Розташування сканування топографії: до та після кожної операції затягування виконуйте тривимірне сканування на опорній поверхні головки болта та поверхні шайби, щоб отримати інформацію про особливості мікрон-рівня;
Вилучення й аналіз параметрів: виділіть параметри,-пов’язані з шорсткістю, і об’єднайте їх із даними тертя, щоб проаналізувати відповідний зв’язок між змінами топографії поверхні та поведінкою тертя.
На малюнку нижче показано структуру випробувального стенду та конкретні положення точок вимірювання.
4. Аналіз результатів топографії
Дані випробувань виявили кілька ключових явищ, які допомагають глибоко зрозуміти фундаментальні фактори, що визначають розподіл крутного моменту та коефіцієнт тертя:
4.1 Динамічні зміни коефіцієнта тертя
У процесі затягування коефіцієнт тертя не є постійним, а постійно змінюється зі станом контакту. Як правило, коефіцієнт тертя опорної поверхні приблизно на 44% вищий, ніж коефіцієнт тертя різьби, що вказує на те, що більша частина крутного моменту споживається на опорній поверхні, а не на поверхні різьби.
4.2 Значна дисперсійність крутного моменту
Навіть якщо встановлено однакову цільову силу затиску, різниця в необхідному крутному моменті може бути майже вдвічі. Наприклад, для деяких болтів потрібен момент затягування 96,7 Нм, а для інших – лише 54,5 Нм. Така розкидність значень крутного моменту безпосередньо спричинена нестабільністю коефіцієнта тертя.
4.3 Значна еволюція рельєфу поверхні
Результати-тривимірного сканування показують, що параметри шорсткості опорної поверхні зазнали значних змін:
Sq (середньоквадратична шорсткість) зменшилася приблизно з 5,3 мкм до 1,04 мкм, а поверхня стала більш гладкою;
Ssk (асимметрия) стала негативною, вказуючи на зміну в розподілі поверхневих піків і западин, при цьому більше матеріалу було зосереджено в нижніх точках (долинах) поверхні, а особливості ямок стали більш очевидними;
Значення Sku (ексцесу) зросло, що означає підвищення несучої здатності поверхні.
Ці зміни вказують на те, що в процесі затягування поверхня зазнає пластичної деформації, реальна площа контакту збільшується, і відповідно змінюється поведінка тертя. На малюнку нижче показано тривимірну-топографію опорної поверхні головки болта до та після затягування: перед затягуванням поверхня має очевидну грубу вершину-структуру впадини; після затягування грубі вершини зрізаються, поверхня має тенденцію бути плоскою, а спрямованість більш очевидною. Це показує, що тертя не тільки споживає енергію, але й змінює структуру поверхні на мікрорівні.
На малюнку нижче чітко позначено сліди тертя та зони пластичної деформації на поверхні підшипника за допомогою мікроскопічного спостереження: на деяких ділянках є значні подряпини, а напрям подряпин узгоджується з напрямком обертання болта, що вказує на те, що тертя спричинило потік матеріалу та пошкодження поверхні.
На малюнку нижче показано нерівномірні характеристики контакту поверхні підшипника: фактична площа контакту набагато менша за номінальну площу, а навантаження зосереджено в кількох мікрозонах, що призводить до місцевих станів високого-напруження та пластичної деформації. Цей нерівний контакт є ключовим фактором, що викликає коливання коефіцієнта тертя.
