Là chỉ số cốt lõi để kiểm soátchốtlực kẹp, thực tế là hầu hết mô-men xoắn siết chặt bị mất do ma sát, chỉ một phần nhỏ thực sự được chuyển thành lực kẹp. Vì vậy, yếu tố nào cuối cùng quyết định sự phân bố mô-men xoắn của bu lông và độ lớn của hệ số ma sát? Hôm nay, biên tập viên từ Jiangsu Jinrui sẽ chia sẻ một nghiên cứu thực nghiệm dựa trên phân tích địa hình vi mô, cho thấy các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố mô-men xoắn và hệ số ma sát của bu-lông, tạo cơ sở vững chắc để đạt được-độ tin cậy cao khi siết chặt.
1. Hệ số ma sát và phân bố mô men xoắn
Khi siết bu lông, mômen đầu vào không hoàn toàn được sử dụng để kéo căng bu lông và tạo ra lực kẹp. Trong thực tế, mô-men xoắn được phân bổ theo ba đường tiêu thụ:
Ma sát ren: Ma sát xảy ra ở vùng tiếp xúc ren giữa bu lông và đai ốc, tiêu tốn một mô men xoắn lớn;
Ma sát bề mặt ổ trục: Ma sát còn tồn tại giữa đầu bu lông và vòng đệm hoặc bề mặt của bộ phận được kết nối và mô-men xoắn tiêu thụ ở bộ phận này chiếm tỷ lệ lớn hơn;
Hiệu ứng góc dẫn ren (tức là thành phần tải trước hiệu quả): Chỉ phần mô-men xoắn này thực sự được sử dụng để kéo căng bu-lông và do đó tạo thành lực kẹp.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khoảng 85% đến 90% mô-men xoắn được sử dụng để vượt qua ma sát và chỉ khoảng 10% được chuyển thành lực kéo bu lông.
Điều này có nghĩa là một khi hệ số ma sát thay đổi, hiệu suất chuyển đổi mô-men xoắn sẽ thay đổi tương ứng, dẫn đến sự chênh lệch có thể lớn hơn gấp đôi về lực kẹp được tạo ra dưới cùng một mô-men xoắn. Vì vậy, việc khóa lực kẹp chỉ bằng mô-men xoắn là không đáng tin cậy.
2. Thiết kế sơ đồ
Để khám phá sâu sắc các yếu tố cốt lõi quyết định sự phân bổ mô-men xoắn và hệ số ma sát của bu lông, Phòng thí nghiệm Ma sát của École Centrale de Lyon ở Pháp đã thiết kế một sơ đồ thí nghiệm có hệ thống. Mục tiêu cốt lõi của sơ đồ này là kết hợp thử nghiệm cơ học với phân tích địa hình vi mô bề mặt để thiết lập mối quan hệ nhân quả giữa hành vi ma sát và cấu trúc vi mô.
Thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn ISO 16047 để kiểm tra lực kẹp-mô-men xoắn. Các bu lông được sử dụng có thông số kỹ thuật M10×60, được làm bằng thép 30MnB4, có đầu nguội-, được cuộn-có ren và sau đó được mạ điện. Các giá trị cụ thể của mômen tổng được ghi lại chi tiết, trong khi mômen ren và mômen bề mặt ổ trục được tách riêng để tính toán chính xác hệ số ma sát và phân tích định luật phân bố mômen. Công nghệ quét địa hình ba chiều được sử dụng để trích xuất các thông số liên quan đến độ nhám và những thay đổi của thông số trước và sau khi siết chặt được so sánh để khám phá mối tương quan nội tại giữa hành vi ma sát và địa hình vi mô. Thiết kế này không chỉ xem xét hiệu suất cơ học mà còn đi sâu vào cấp độ vi mô, tiết lộ những lý do cơ bản dẫn đến sự thay đổi trong phân bố mô-men xoắn và hệ số ma sát của bu lông.
3. Phương pháp xác minh thử nghiệm
Dựa trên sơ đồ trên, một thiết bị thử nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 16047 đã được chế tạo, có thể đo chính xác mô-men xoắn và lực kẹp. Quá trình kiểm tra bao gồm các liên kết sau:
Cố định và tải bu-lông: Lắp bu-lông trên bàn thử nghiệm đã được tiêu chuẩn hóa, áp dụng mô-men xoắn đã đặt và- ghi lại các giá trị của mô-men xoắn tổng, mô-men xoắn ren, mô-men xoắn bề mặt vòng bi và lực kẹp trong thời gian thực;
Đo tách ma sát: Tách ma sát ren khỏi ma sát bề mặt ổ trục thông qua cấu trúc đặc biệt của thiết bị và cảm biến để đảm bảo tính chính xác của hệ số ma sát;
Bố trí quét địa hình: Trước và sau mỗi thao tác siết chặt, hãy thực hiện quét ba chiều-trên bề mặt chịu lực của đầu bu lông và bề mặt vòng đệm để thu thập thông tin đặc điểm cấp độ micron-;
Trích xuất và phân tích tham số: Trích xuất các tham số liên quan đến độ nhám{0}}và kết hợp chúng với dữ liệu ma sát để phân tích mối quan hệ tương ứng giữa những thay đổi địa hình bề mặt và hành vi ma sát.
Hình dưới đây thể hiện cấu trúc của bệ thử và vị trí cụ thể của các điểm đo.
4. Phân tích kết quả địa hình
Dữ liệu thử nghiệm cho thấy một số hiện tượng chính giúp hiểu sâu sắc các yếu tố cơ bản quyết định sự phân bố mô-men xoắn và hệ số ma sát:
4.1 Sự thay đổi động của hệ số ma sát
Trong quá trình siết chặt, hệ số ma sát không cố định mà liên tục thay đổi theo trạng thái tiếp xúc. Nói chung, hệ số ma sát bề mặt ổ trục cao hơn hệ số ma sát ren khoảng 44%, cho thấy phần lớn mô-men xoắn được tiêu thụ trên bề mặt ổ trục chứ không phải bề mặt ren.
4.2 Độ phân tán mô-men xoắn đáng kể
Ngay cả khi đặt cùng một mục tiêu lực kẹp, sự khác biệt về mô-men xoắn yêu cầu có thể gần gấp đôi. Ví dụ, một số bu lông yêu cầu mô-men xoắn 96,7 Nm, trong khi một số khác chỉ cần 54,5 Nm. Sự phân tán các giá trị mô men xoắn này trực tiếp gây ra bởi sự mất ổn định của hệ số ma sát.
4.3 Sự phát triển đáng kể của địa hình bề mặt
Kết quả quét ba{0}}chiều cho thấy các thông số độ nhám của bề mặt ổ trục đã trải qua những thay đổi đáng kể:
Sq (độ nhám vuông trung bình gốc) giảm từ khoảng 5,3 μm xuống 1,04 μm và bề mặt trở nên mịn hơn;
Ssk (độ lệch) chuyển sang âm, cho thấy sự thay đổi trong sự phân bố của các đỉnh và thung lũng trên bề mặt, với nhiều vật chất tập trung ở các điểm thấp (thung lũng) của bề mặt và các đặc điểm hố trở nên rõ ràng hơn;
Giá trị Sku (kurtosis) tăng lên nghĩa là khả năng chịu lực bề mặt được nâng cao.
Những thay đổi này chỉ ra rằng trong quá trình siết chặt, bề mặt bị biến dạng dẻo, diện tích tiếp xúc thực tăng lên và hành vi ma sát thay đổi tương ứng. Hình bên dưới thể hiện địa hình ba chiều-của bề mặt chịu lực của đầu bu lông trước và sau khi siết chặt: trước khi siết chặt, bề mặt có cấu trúc rãnh đỉnh-nhô rõ ràng; sau khi siết chặt, các đỉnh thô bị cắt đi, bề mặt có xu hướng phẳng và tính định hướng rõ ràng hơn. Điều này cho thấy ma sát không chỉ tiêu tốn năng lượng mà còn định hình lại cấu trúc bề mặt ở cấp độ vi mô.
Hình dưới đây đánh dấu rõ ràng các vết ma sát và vùng biến dạng dẻo trên bề mặt ổ trục thông qua quan sát bằng kính hiển vi: có những vết xước đáng kể ở một số khu vực và hướng mở rộng của vết xước phù hợp với hướng quay của bu lông, cho thấy ma sát đã gây ra dòng chảy vật liệu và hư hỏng bề mặt.
Hình bên dưới trình bày các đặc điểm tiếp xúc bề mặt ổ trục không đồng đều: diện tích tiếp xúc thực tế nhỏ hơn nhiều so với diện tích danh nghĩa và tải trọng tập trung ở một số khu vực vi mô, dẫn đến trạng thái ứng suất cục bộ-cao và biến dạng dẻo. Sự tiếp xúc không đều này là nguyên nhân chính gây nên sự dao động của hệ số ma sát.
