コントロールの核となる指標としてボルト実際には、締め付けトルクの大部分は摩擦によって失われ、実際に締め付け力に変換されるのはほんの一部です。では、ボルトのトルク配分や摩擦係数の大きさは、最終的にどのような要因によって決まるのでしょうか？本日、Jiangsu Jinrui の編集者が、微地形解析に基づいた実証研究を紹介します。この研究は、ボルトのトルク分布と摩擦係数に影響を与える主要な要因を明らかにし、高い信頼性の締結を実現するための強力な基礎を提供します。-
1. 摩擦係数とトルク分布
ボルトを締め付けるとき、入力トルクのすべてがボルトを伸ばしてクランプ力を生成するために使用されるわけではありません。実際、トルクは 3 つの消費経路に分配されます。
ねじ部摩擦：ボルトとナットの間のねじ部接触領域で摩擦が発生し、大きなトルクが消費されます。
軸受面の摩擦：ボルトの頭と座金や接続部品の表面との間にも摩擦が存在し、この部分で消費されるトルクが大きな割合を占めます。
ねじリード角の効果 (つまり、有効な予圧成分): トルクのこの部分のみがボルトを伸ばすために実際に使用され、クランプ力が形成されます。
研究によると、トルクの約 85% ～ 90% が摩擦を克服するために使用され、ボルトの引張力に変換されるのはわずか約 10% であることが示されています。
つまり、摩擦係数が変化するとトルク変換効率も変化し、同じトルクでも発生するクランプ力に2倍以上の差が生じる可能性があります。したがって、トルクのみでクランプ力をロックすることは信頼できません。
2. スキーム設計
ボルトのトルク分布と摩擦係数を決定する中心的な要因を深く調査するために、フランスのエコール・サントラル・ド・リヨンのトライボロジー研究所は、体系的な実験計画を設計しました。このスキームの中心的な目標は、機械的試験と表面微細トポグラフィー解析を組み合わせて、摩擦挙動と微細構造の間の因果関係を確立することです。
実験は、トルククランプ力試験に関する ISO 16047 規格に従って実施されました。-使用したボルトは M10×60 仕様で、30MnB4 鋼製で、冷間圧造、ねじ山圧延、電気亜鉛メッキが施されています。-総トルクの具体的な値を詳細に記録し、ねじ山トルクと座面トルクを分離して摩擦係数を正確に計算し、トルク配分則を解析しました。三次元トポグラフィー スキャン技術を使用して粗さ関連パラメータを抽出し、締め付け前後のパラメータ変化を比較して、摩擦挙動と微細トポグラフィーの間の本質的な相関関係を調査しました。-この設計は機械的性能を考慮するだけでなく、ミクロレベルまで掘り下げ、ボルトのトルク分布や摩擦係数の変化の根本的な理由を明らかにします。
3. 試験検証方法
上記のスキームに基づいて、トルクとクランプ力を正確に測定できる ISO 16047 規格に準拠した試験装置が構築されました。テスト プロセスには次のリンクが含まれています。
ボルトの固定と荷重: 標準化されたテストベンチにボルトを取り付け、設定トルクを適用し、合計トルク、ねじ山トルク、座面トルク、クランプ力の値をリアルタイムで記録します。{0}
摩擦分離測定：特殊な構造の装置とセンサーにより、ねじ部の摩擦を座面の摩擦から分離し、摩擦係数の計算精度を確保します。
トポグラフィー スキャンの配置: 各締め付け作業の前後に、ボルト頭の座面とワッシャーの表面で 3 次元スキャンを実行し、ミクロン レベルの特徴情報を取得します。-
パラメータの抽出と分析: 粗さ関連パラメータを抽出し、摩擦データと組み合わせて、表面トポグラフィーの変化と摩擦挙動の間の対応関係を分析します。
以下の図は、テストベンチの構造と具体的な測定点の位置を示しています。
4. 地形結果の解析
テストデータからは、トルク配分と摩擦係数を決定する基本的な要因を深く理解するのに役立ついくつかの重要な現象が明らかになりました。
4.1 摩擦係数の動的変化
締め付け時の摩擦係数は一定ではなく、接触状態に応じて連続的に変化します。一般に、軸受面の摩擦係数はねじ山の摩擦係数よりも約 44% 高く、トルクの大部分がねじ面ではなく軸受面で消費されることを示しています。
4.2 優れたトルク分散性
同じ目標クランプ力を設定した場合でも、必要トルクが2倍近く異なる場合があります。たとえば、ボルトによっては 96.7 Nm のトルクが必要な場合もあれば、54.5 Nm のみ必要なボルトもあります。このトルク値のばらつきは、直接的には摩擦係数の不安定性によって引き起こされます。
4.3 表面トポグラフィーの大幅な進化
3 次元スキャンの結果は、座面の粗さパラメータが大幅に変化していることを示しています。-
Sq (二乗平均平方根粗さ) は約 5.3 μm から 1.04 μm に減少し、表面はより滑らかになりました。
Ssk (歪度) はマイナスになり、表面の山と谷の分布が変化し、より多くの物質が表面の低い点 (谷) に集中し、ピットの特徴がより明白になったことを示しています。
Sku (尖度) の値が増加しました。これは、表面支持力が強化されたことを意味します。
これらの変化は、締め付けプロセス中に表面が塑性変形し、実際の接触面積が増加し、それに応じて摩擦挙動が変化することを示しています。下の図は、締め付け前後のボルト頭の座面の 3 次元トポグラフィーを示しています。締め付け前は、表面には明らかな粗い山谷構造が見られます。-。締め付け後は粗い山がせん断され、表面は平らになる傾向があり、方向性がより明確になります。これは、摩擦がエネルギーを消費するだけでなく、表面構造をミクロレベルで再形成することを示しています。
下図は、座面の摩擦痕と塑性変形箇所を顕微鏡で観察した結果です。一部に大きな傷があり、傷の伸びる方向がボルトの回転方向と一致しており、摩擦により材料流動や表面損傷が生じていることがわかります。
下の図は、軸受表面の接触の不均一な特性を示しています。実際の接触面積は公称面積よりもはるかに小さく、荷重はいくつかの微小領域に集中し、局所的な高応力状態と塑性変形につながります。-この凹凸が摩擦係数の変動を引き起こす大きな要因となります。
