Apa yang Menentukan Distribusi Torsi Baut dan Koefisien Gesekan?

Sebagai indikator inti untuk mengendalikan gaya penjepitan baut, kenyataannya sebagian besar torsi pengencangan hilang karena gesekan, dan hanya sebagian kecil yang benar-benar diubah menjadi gaya penjepit. Lantas, faktor apa saja yang akhirnya menentukan distribusi torsi baut dan besarnya koefisien gesekan? Hari ini, editor dari Jiangsu Jinrui akan berbagi studi empiris berdasarkan analisis mikrotopografi, yang mengungkapkan faktor-faktor utama yang memengaruhi distribusi torsi baut dan koefisien gesekan, sehingga memberikan dasar yang kuat untuk mencapai-pengikatan dengan keandalan yang tinggi.

1. Koefisien Gesekan dan Distribusi Torsi

Saat mengencangkan baut, torsi masukan tidak seluruhnya digunakan untuk meregangkan baut dan menghasilkan gaya penjepit. Faktanya, torsi didistribusikan ke tiga jalur konsumsi:

Gesekan ulir: Gesekan terjadi pada area kontak ulir antara baut dan mur, sehingga memakan torsi dalam jumlah besar;

Gesekan permukaan bantalan: Gesekan juga terjadi antara kepala baut dan mesin cuci atau permukaan komponen yang disambung, dan torsi yang dikonsumsi pada bagian ini menyumbang proporsi yang lebih besar;

Efek sudut lead ulir (yaitu, komponen pramuat efektif): Hanya bagian torsi inilah yang benar-benar digunakan untuk meregangkan baut dan dengan demikian membentuk gaya penjepit.

Penelitian telah menunjukkan bahwa sekitar 85% hingga 90% torsi digunakan untuk mengatasi gesekan, dan hanya sekitar 10% yang diubah menjadi gaya tarik baut.

Ini berarti bahwa ketika koefisien gesekan berubah, efisiensi konversi torsi juga akan berubah, menghasilkan kemungkinan perbedaan lebih dari dua kali lipat gaya penjepit yang dihasilkan pada torsi yang sama. Oleh karena itu, tidak dapat diandalkan untuk mengunci gaya penjepit hanya dengan torsi.

2. Desain Skema

Untuk mengeksplorasi secara mendalam faktor inti yang menentukan distribusi torsi baut dan koefisien gesekan, Laboratorium Tribologi École Centrale de Lyon di Perancis merancang skema eksperimental yang sistematis. Tujuan inti dari skema ini adalah untuk menggabungkan pengujian mekanis dengan analisis mikrotopografi permukaan untuk membangun hubungan sebab akibat antara perilaku gesekan dan struktur mikro.

Eksperimen dilakukan sesuai dengan standar ISO 16047 untuk pengujian gaya penjepit torsi-. Baut yang digunakan berspesifikasi M10×60, terbuat dari baja 30MnB4, berkepala dingin-, digulung-berulir, dan kemudian digalvanis secara elektro. Nilai spesifik torsi total dicatat secara rinci, sedangkan torsi ulir dan torsi permukaan bantalan dipisahkan untuk menghitung koefisien gesekan secara akurat dan menganalisis hukum distribusi torsi. Teknologi pemindaian topografi tiga dimensi digunakan untuk mengekstraksi parameter terkait kekasaran, dan perubahan parameter sebelum dan sesudah pengencangan dibandingkan untuk mengeksplorasi korelasi intrinsik antara perilaku gesekan dan mikrotopografi. Desain ini tidak hanya mempertimbangkan kinerja mekanis tetapi juga mendalami tingkat mikro, mengungkap alasan mendasar perubahan distribusi torsi baut dan koefisien gesekan.

3. Metode Verifikasi Uji

Berdasarkan skema di atas, perangkat uji yang memenuhi standar ISO 16047 dibuat, yang dapat mengukur torsi dan gaya penjepit secara akurat. Proses pengujian mencakup tautan berikut:

Pemasangan dan pemuatan baut: Pasang baut pada tempat uji standar, terapkan torsi yang disetel, dan-catat secara real-time nilai torsi total, torsi ulir, torsi permukaan bantalan, dan gaya penjepit;

Pengukuran pemisahan gesekan: Pisahkan gesekan benang dari gesekan permukaan bantalan melalui struktur khusus perangkat dan sensor untuk memastikan keakuratan perhitungan koefisien gesekan;

Pengaturan pemindaian topografi: Sebelum dan sesudah setiap operasi pengencangan, lakukan pemindaian tiga-dimensi pada permukaan bantalan kepala baut dan permukaan washer untuk menangkap informasi fitur tingkat mikron;

Ekstraksi dan analisis parameter: Ekstrak parameter terkait{0}}kekasaran dan gabungkan dengan data gesekan untuk menganalisis hubungan yang sesuai antara perubahan topografi permukaan dan perilaku gesekan.

Gambar di bawah menunjukkan struktur bangku tes dan posisi spesifik titik pengukuran.

4. Analisis Hasil Topografi

Data pengujian mengungkapkan beberapa fenomena penting yang membantu untuk memahami secara mendalam faktor fundamental yang menentukan distribusi torsi dan koefisien gesekan:

4.1 Perubahan Dinamis Koefisien Gesekan

Selama proses pengencangan, koefisien gesekan tidak konstan tetapi terus berubah seiring dengan keadaan kontak. Secara umum, koefisien gesekan permukaan bantalan sekitar 44% lebih tinggi daripada koefisien gesekan benang, yang menunjukkan bahwa sebagian besar torsi dikonsumsi pada permukaan bantalan daripada pada permukaan benang.

4.2 Dispersibilitas Torsi yang Signifikan

Bahkan ketika target gaya penjepitan yang sama ditetapkan, perbedaan torsi yang diperlukan mungkin hampir dua kali lipat. Misalnya, beberapa baut membutuhkan torsi 96,7 Nm, sementara yang lain hanya membutuhkan 54,5 Nm. Sebaran nilai torsi ini secara langsung disebabkan oleh ketidakstabilan koefisien gesekan.

4.3 Evolusi Topografi Permukaan yang Signifikan

Hasil pemindaian tiga-dimensi menunjukkan bahwa parameter kekasaran permukaan bantalan telah mengalami perubahan signifikan:

Sq (kekasaran akar rata-rata kuadrat) menurun dari sekitar 5,3 μm menjadi 1,04 μm, dan permukaan menjadi lebih halus;

Ssk (skewness) berubah menjadi negatif, menunjukkan perubahan distribusi puncak dan lembah permukaan, dengan lebih banyak material terkonsentrasi di titik rendah (lembah) permukaan, dan fitur lubang menjadi lebih jelas;

Nilai Sku (kurtosis) meningkat yang berarti daya dukung permukaan meningkat.

Perubahan ini menunjukkan bahwa selama proses pengencangan, permukaan mengalami deformasi plastis, luas kontak nyata bertambah, dan perilaku gesekan pun berubah. Gambar di bawah menunjukkan topografi-tiga dimensi permukaan bantalan kepala baut sebelum dan sesudah pengencangan: sebelum pengencangan, permukaannya menunjukkan struktur puncak-lembah kasar yang terlihat jelas; setelah dikencangkan, puncak kasarnya terpotong, permukaannya cenderung rata, dan arahnya lebih jelas. Hal ini menunjukkan bahwa gesekan tidak hanya menghabiskan energi tetapi juga membentuk kembali struktur permukaan pada tingkat mikro.

Gambar di bawah dengan jelas menandai tanda gesekan dan area deformasi plastis pada permukaan bantalan melalui pengamatan mikroskopis: terdapat goresan yang signifikan di beberapa area, dan arah perluasan goresan sesuai dengan arah putaran baut, menunjukkan bahwa gesekan telah menyebabkan aliran material dan kerusakan permukaan.

Gambar di bawah menyajikan karakteristik kontak permukaan bantalan yang tidak merata: area kontak sebenarnya jauh lebih kecil daripada area nominal, dan beban terkonsentrasi di beberapa area mikro, menyebabkan-keadaan tegangan tinggi lokal dan deformasi plastis. Kontak yang tidak rata inilah yang menjadi faktor kunci penyebab fluktuasi koefisien gesekan.