통제를 위한 핵심지표로서볼트조임 토크의 대부분은 마찰로 인해 손실되고 실제로 조임 힘으로 변환되는 부분은 극히 일부에 불과합니다. 그렇다면 궁극적으로 볼트 토크 분포와 마찰 계수의 크기를 결정하는 요소는 무엇입니까? 오늘 Jiangsu Jinrui의 편집자는 볼트 토크 분포와 마찰 계수에 영향을 미치는 핵심 요소를 밝히고 높은 -체결 신뢰성을 달성하기 위한 강력한 기반을 제공하는 미세 지형 분석을 기반으로 한 경험적 연구를 공유할 예정입니다.
1. 마찰계수 및 토크 분포
볼트를 조일 때 입력 토크는 볼트를 늘려 조임력을 생성하는 데 완전히 사용되지 않습니다. 실제로 토크는 세 가지 소비 경로에 분산됩니다.
나사 마찰: 볼트와 너트 사이의 나사 접촉 영역에서 마찰이 발생하여 토크가 많이 소모됩니다.
베어링 표면 마찰: 볼트 헤드와 와셔 또는 연결된 구성 요소의 표면 사이에도 마찰이 존재하며 이 부분에서 소비되는 토크가 더 큰 비율을 차지합니다.
나사산 리드각 효과(즉, 유효 예압 성분): 토크의 이 부분만이 실제로 볼트를 늘려 조임력을 형성하는 데 사용됩니다.
연구에 따르면 토크의 약 85%~90%가 마찰을 극복하는 데 사용되며 약 10%만이 볼트 인장력으로 변환되는 것으로 나타났습니다.
이는 마찰 계수가 변경되면 그에 따라 토크 변환 효율이 변경되어 동일한 토크에서 생성되는 조임력이 두 배 이상 차이가 날 수 있음을 의미합니다. 따라서 토크만으로 클램핑력을 고정하는 것은 신뢰할 수 없습니다.
2. 계획 설계
볼트 토크 분포와 마찰 계수를 결정하는 핵심 요소를 심층적으로 조사하기 위해 프랑스 École Centrale de Lyon의 마찰학 연구소는 체계적인 실험 계획을 설계했습니다. 이 계획의 핵심 목표는 기계적 테스트와 표면 미세 지형 분석을 결합하여 마찰 거동과 미세 구조 간의 인과 관계를 확립하는 것입니다.
실험은 토크-체결력 테스트에 대한 ISO 16047 표준에 따라 수행되었습니다. 사용된 볼트는 30MnB4 강철로 제작된 M10×60 사양으로 냉간 머리, 나사 압연- 및 전기 아연 도금 처리되었습니다. 총 토크의 구체적인 값을 자세히 기록하였으며, 나사 토크와 베어링 표면 토크를 분리하여 마찰계수를 정확하게 계산하고 토크 분포 법칙을 분석했습니다. 거칠기- 관련 매개변수를 추출하기 위해 3차원 지형 스캐닝 기술을 사용했으며, 조임 전후의 매개변수 변화를 비교하여 마찰 거동과 미세 지형 간의 본질적인 상관 관계를 탐색했습니다. 이 설계는 기계적 성능을 고려할 뿐만 아니라 미시적 수준까지 파고들어 볼트 토크 분포와 마찰 계수의 변화에 대한 근본적인 이유를 드러냅니다.
3. 테스트 검증 방법
위의 방식을 기반으로 ISO 16047 표준을 준수하는 테스트 장치를 구축하여 토크와 체결력을 정확하게 측정할 수 있습니다. 테스트 프로세스에는 다음 링크가 포함됩니다.
볼트 고정 및 로딩: 표준화된 테스트 벤치에 볼트를 설치하고, 설정된 토크를 적용하고,{0}}총 토크, 나사산 토크, 베어링 표면 토크 및 조임력 값을 실시간으로 기록합니다.
마찰 분리 측정: 마찰 계수 계산의 정확성을 보장하기 위해 장치 및 센서의 특수 구조를 통해 베어링 표면 마찰과 스레드 마찰을 분리합니다.
지형 스캐닝 배열: 각 조임 작업 전후에 볼트 헤드의 베어링 표면과 와셔 표면에 대한 3-차원 스캐닝을 수행하여 미크론- 수준의 특징 정보를 캡처합니다.
매개변수 추출 및 분석: 거칠기-관련 매개변수를 추출하고 이를 마찰 데이터와 결합하여 표면 지형 변화와 마찰 거동 간의 해당 관계를 분석합니다.
아래 그림은 테스트 벤치의 구조와 측정 지점의 구체적인 위치를 보여줍니다.
4. 지형 결과 분석
테스트 데이터는 토크 분포와 마찰 계수를 결정하는 기본 요소를 깊이 이해하는 데 도움이 되는 몇 가지 주요 현상을 보여주었습니다.
4.1 마찰계수의 동적 변화
조임 과정에서 마찰 계수는 일정하지 않고 접촉 상태에 따라 지속적으로 변합니다. 일반적으로 베어링 표면 마찰계수는 나사산 마찰계수보다 약 44% 더 높으며, 이는 대부분의 토크가 나사산 표면이 아닌 베어링 표면에서 소비됨을 나타냅니다.
4.2 상당한 토크 분산성
동일한 클램핑력 목표를 설정하더라도 필요한 토크의 차이는 거의 두 배로 늘어날 수 있습니다. 예를 들어, 일부 볼트에는 96.7Nm의 토크가 필요한 반면 다른 볼트에는 54.5Nm만 필요합니다. 토크 값의 이러한 분산성은 마찰 계수의 불안정성에 의해 직접적으로 발생합니다.
4.3 표면 지형의 중요한 진화
3{0}}차원 스캐닝 결과는 베어링 표면의 거칠기 매개변수가 크게 변경되었음을 보여줍니다.
Sq(제곱평균제곱근 거칠기)가 약 5.3μm에서 1.04μm로 감소하고 표면이 더 매끄러워졌습니다.
Ssk(왜도)는 음수로 바뀌었는데, 이는 표면의 낮은 지점(골짜기)에 더 많은 재료가 집중되어 표면 최고점과 최저점 분포의 변화를 나타내며 피트 특징이 더욱 분명해졌습니다.
Sku(첨도) 값이 증가하여 표면 지지력이 향상되었습니다.
이러한 변화는 조임 과정에서 표면이 소성 변형되고 실제 접촉 면적이 증가하며 그에 따라 마찰 동작이 변경됨을 나타냅니다. 아래 그림은 조이기 전후의 볼트 헤드 베어링 표면의 3차원- 지형을 보여줍니다. 조이기 전에 표면은 명백히 거친 피크-골짜기 구조를 나타냅니다. 조인 후에는 거친 봉우리가 깎이고 표면이 편평해지는 경향이 있으며 방향성이 더욱 분명해집니다. 이는 마찰이 에너지를 소비할 뿐만 아니라 미시적 수준에서 표면 구조를 재구성한다는 것을 보여줍니다.
아래 그림은 현미경 관찰을 통해 베어링 표면의 마찰 흔적과 소성 변형 영역을 명확하게 표시합니다. 일부 영역에는 심각한 스크래치가 있으며 스크래치의 확장 방향은 볼트의 회전 방향과 일치하여 마찰로 인해 재료 흐름과 표면 손상이 발생했음을 나타냅니다.
아래 그림은 베어링 표면 접촉의 불균일한 특성을 나타냅니다. 실제 접촉 면적은 공칭 면적보다 훨씬 작고 하중이 몇 개의 미세 영역에 집중되어 국부적으로 높은-응력 상태와 소성 변형이 발생합니다. 이러한 불균일한 접촉은 마찰계수의 변동을 일으키는 핵심 요소입니다.
