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          摩擦系數這個神奇的參數,困惑嗎?

          摩擦系數這個神奇的參數,困惑嗎?

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           背 景 

          緊固件摩擦系數的重要性是目前大家都比較關注的,摩擦系數的大小和散差會嚴重影響緊固件的擰緊后預緊力。同樣的擰緊扭矩擰緊后,不同的摩擦系數范圍,會得到差別非常大的預緊力。

          大家都比較熟知的50-40-10的螺栓扭矩分配原則,也就是說摩擦系數變化小,但是預緊力會變化非常大。因為螺栓頭支撐面和螺紋副的扭矩占比非常大,即使很小的摩擦系數變化,對螺栓頭支撐面和螺紋副扭矩影響看似不是非常大,但是會影響產生預緊力的扭矩占比,可能產生預緊力的占比因為摩擦系數的變化,產生了5%的增減,最終就會較大的影響預緊力的占比。

          在摩擦系數分析和試驗研究中,你是否與螺絲君一樣,有以下三個方面的疑惑始終縈繞在心頭呢?

          1、摩擦系數與接觸面積到底有沒有關系?
           
          2、摩擦系數測試中常見的50-40-10原則,為什么支撐面扭矩等于總扭矩減去螺紋扭矩?而不是螺紋扭矩等于總扭矩減去支撐面扭矩再減去產生預緊力的這部分扭矩?
           
          3、摩擦系數測試的時候,為什么同一批螺栓螺母測試,僅僅更換頭下的墊片,螺紋摩擦系數會產生變化呢?

          接下來,螺絲君就上述問題進行闡述和分析,希望能夠引起共鳴。如果有分析不完全正確的地方歡迎指正,入群交流。

           1

          摩擦系數與接觸面積

          我們從以前物理學等了解到摩擦系數跟接觸面積等沒有關系,但是,在實際工作過程中又隱隱約約感覺到摩擦系數好像跟接觸面積還是有一定關系,到底實際情況是怎么樣呢?

          我們通過前人的理論研究,并通過試驗來確定。前人經過系統的實驗研究,建立了較完整的黏著摩擦理論,對于摩擦磨損研究具有重要的意義。黏著摩擦理論認為整個摩擦分為3個過程:

          ① 摩擦表面處于塑性接觸狀態,實際接觸面都是以接觸峰點的形式存在,接觸點應力達到屈服極限就會產生塑性形變,接觸點就只能依靠增加接觸面來承受繼續增加的載荷。

          ② 接觸點摩擦過程中還可能產生瞬時高溫,接觸點會產生黏著,在隨后摩擦的剪切力作用下,黏著點會被剪切產生滑動。

          ③ 摩擦力是黏著效應和犁溝效應產生阻力的總和,接觸面中硬表面的粗糙峰在法向載荷作用下嵌入軟表面中,接觸面分兩部分組成:

          ? 發生黏著效應的面積,滑動發生剪切;

          ? 犁溝效應作用的面積,滑動時硬峰推擠軟材料。

          金屬黏著摩擦理論中,摩擦系數f的計算公式如下:

          式中:

          F為接觸面的剪切力;

          W為接觸面的正壓力;

          A為摩擦面實際接觸面積;

          τb為剪切強度極限;

          S為粗糙峰在垂直面上的投影面積;

          σs為屈服強度極限。

          從以上摩擦過程分析可知,微觀上摩擦跟接觸面積是存在一定的關系,這與我們實際生活中的感覺有點接近。

          例如,我們穿著一個帶凸點的鞋子,如果突然某個時候,只有很小的一個凸點著地,這時候會一下子感覺被晃了一下,感覺這時候的摩擦力非常低。不知道大家是否也有這種感覺?

          這也就是為什么我們螺栓連接中,襯套等處設計要有足夠的面積,一方面保證不能出現壓潰,同時也為了有一定足夠的接觸面積來產生足夠大的摩擦系數。同時大家在進行結合面摩擦系數測試時候也會發現,同樣的一個零件給出的壓力越大,得出的摩擦系數會增大。所以在結合面摩擦系數測試時候,現在都要按照實際螺栓連接產生的預緊力來施加測試摩擦系數。

           2

          摩擦系數測試中為什么

          不是遵循所謂的50-40-10原則

          根據GB/T 16823.3標準,摩擦系數計算中會規定可能僅僅測試其中總扭矩和一個部分扭矩,例如螺紋扭矩,然后,另外一個部分扭矩支撐面扭矩就等于總扭矩減去螺紋扭矩扭矩。

          同時,大家可能也會有一定的疑惑,實測螺紋扭矩到底是僅僅的一個螺紋摩擦扭矩,還是包含了產生預緊力的扭矩?按照GB/T 16823.3標準來說,這個實測扭矩是包含了螺紋摩擦扭矩和產生預緊力的這部分扭矩的。

          接下來請看這個標準的截圖。

          從這個表述上面就可以清楚的看到,實測的螺紋扭矩是包含產生預緊力的這部分扭矩的。為什么呢?我們還是來從經典的VDI2230標準中尋找答案。

          從以上這個標準公式推導中是否就可以明白了,為什么螺紋扭矩包含了螺紋摩擦扭矩和產生預緊力的這部分扭矩了吧?關于實測的螺紋扭矩中是不是產生預緊力的扭矩已經作用到螺栓桿部,實際測試的扭矩應該僅僅是螺紋摩擦扭矩,這個大家可以再進行研究,也可以咨詢試驗機的廠家看看實際倒是測試的數據是不是應該包含了產生預緊力的這部分扭矩?

           3

          同一螺紋為什么更換平墊片后

          螺紋摩擦系數反而會不同

          螺絲君試驗發現,同一批螺栓螺母進行測試,僅僅把支撐面墊片從高硬度HH,低硬度HL,甚至更換成鋁合金,電泳墊片,發現了一個奇特的問題,理論上分析此時螺紋摩擦系數應不會產生變化,因為大家可以認為摩擦系數是一個固定的屬性,但實際上測試結果確實發現了螺紋摩擦系數也產生了變化。

          下面上部分測試結果(高硬度HH和低硬度HL):

          其他試驗做過,發現螺紋摩擦系數差異也不算太大,沒有上面這個結果差異大。

          為此,螺絲君也查到相關論文,總體認為都是有這樣的趨勢。

          該篇文章為《螺紋緊固件摩擦系數的影響因素試驗研究》。

          還有一篇類似的研究,結果如下:

          從以上試驗結果都可以看出,即使同樣的螺栓螺母,僅僅改變墊片,發現螺紋摩擦系數也會有一定變化,這個如何解釋,目前螺絲君還沒有想到合理的解釋理論。

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