Friktion: En naturkraft

Friktion er en faktor, der ikke skal ignoreres, når det kommer til spændebolte. Altid til stede i en boltet samling, kan friktion være en del af problemet - eller en del af løsningen.

Friktion er en kraft, der opstår, når to objekter kommer i kontakt med hinanden. Det er det modsatte af al bevægelse. Uanset hvilken retning noget bevæger sig i, trækker friktion det den anden vej.

Alligevel har vi brug for friktion. Uden det ville vi ikke kunne gå, sidde i en stol eller klatre op ad trapper. Alt ville bare fortsætte med at glide rundt.

Friktion i en boltesamling

Frank Naumann, tidligere administrerende direktør for Deutscher Schraubenverband det tyske forbund for skruer og boltproducenter, som har mere end halvtreds års ekspertise inden for friktion, forklarer, at friktion altid findes i en boltet samling. På den ene side begrænses effektiviteten når det vridende moment omdannes til den ønskede forspænding, på den anden side er det nødvendigt at holde forspændingen i samlingen for at forhindre at delene løsnes.

”Der er to koefficienter, der beskriver friktionen mellem de roterende dele under tilspændingsprocessen,” siger Naumann. ”For det første er det friktionskoefficienten mellem lejeoverflader under skruehovedet eller under møtrikken µb (μb = skivefriktion) og for det andet friktionskoefficienten mellem gevindene µth (μth = gevindfriktion). Begge forbruger en stor mængde energi, der omdannes til ubrugelig varme. For eksempel, i det tilfælde, at µb = µth = 0,10, omdannes kun 16% af drejningsmomentet til forspænding. Man kan påvirke størrelsen af koefficienterne ved kontrolleret smøring. I bilindustrien bruger de for det meste et interval mellem 0,08 og 0,16. ”

Friktion som løsning - og problem

Med hensyn til bolteforbindelser er friktion undertiden en del af løsningen såvel som en del af problemet. Selvfølgelig bestemmes klembelastningen i en bolt hovedsageligt af det krævede moment for at stramme bolten. Men det er også en funktion af aspekter som boltdiameter og -længde, gevindets geometri og - for ikke at glemme - friktionskoefficienterne, der findes i gevindene og under bolthovedet og møtrikken.
Friktionskoefficienten er nødvendig til beregning af tilspændingsmomenter og de resulterende boltstrækstyrker og spænding og til beregning af den resulterende friktionskraft mellem de tilsluttede overflader.

Imidlertid er de omtrentlige værdier for friktionskoefficienter, der findes i diagrammer, kun repræsentative værdier. De skal bekræftes i forhold til andre informationskilder og helst igennem test.

Drejningsmomentværdien afhænger af friktionen, der er til stede i gevindene og mellem det tilspændte bolthoved og møtrik, og det fastgjorte materiale eller skive, hvis det anvendes. Faktisk går næsten al indgangsenergi under stramning tabt i håndteringen af friktionen under hoved, møtrik og gevind. Bare en lille brøkdel af drejningsmomentet omdannes til klæmkraft eller spænding.

Friktion og momentnøgel

Momentnøgler giver ikke en direkte måling af forspændingen i bolten. Når momentet påføres, skal det overvinde statisk friktion under hovedet på bolten og møtrikken, afhængigt af hvilken ende der tilspændes, og også i gevindene.
Meget af det anvendte drejningsmoment, omkring 50 procent, går tabt for at overvinde friktion under det drejede bolthoved og møtrik, og omkring 40 procent går tabt i gevindfriktion. Kun de resterende ti procent af det anvendte drejningsmoment fungerer nyttigt med at strække bolten og levere forspændingen.
Friktion bruges ofte som en metode til at låse boltede samlinger. De mest almindelige eksempler inkluderer deformerede gevind- eller nylon-låsemøtrikker eller savtakkede / tand / stjerneskiver. I disse løsninger er princippet om friktionslåsning baseret på øget friktion i gevindet eller under bolthovedet og møtrikken.

Faktorer som vridning, overspænding og brud på belægning kan dog påvirke disse friktionsbaserede løsninger på en negativ måde.

Der kan også være problemer på grund af øget vridningsspænding i samlingen i de friktionsbaserede låsemetoder. Meget vridning kan få bolten til at give efter ved en lavere forspænding end forventet. Da friktionsforholdene er ujævne, opnås den nødvendige forspænding muligvis ikke.

Bolte lavet af rustfrit stål, aluminium, titanium og andre legeringer kan også lide uforudsigelig gevindskæring (koldsvejsning). Ved boltning opstår brud på gevindets belægning når bolten fastspændes, i forbindelse med at tryk opbygges mellem de berørende og glidende gevindoverflader.

I ekstreme tilfælde fører overspænding til at gevindene sætter sig fast og bliver uadskillelige igen. Fortsat stramning kan medføre, at bolten vrides af eller resulterer i udrevne gevind.

Smøremidler bruges ofte til at reducere friktion og til at opnå ensartet klembelastning. Hyppig smøring af de indvendige og udvendige gevind kan også eliminere brud på gevindbelægningen.

Smøring i syfte at reducere friktion

Ifølge Michael Stähler, produktchef hos Dörken, er den nuværende tendens at have bolten eller møtrikken overtrukket med den rigtige belægning til den opgave, det forventes at udføre. Dette er hovedsageligt en belægning med integreret smøring; en separat smøring tilsat efter en belægning er ikke længere bekvem, da det er et yderligere trin. Belægninger, der påvirkes af temperaturen, kan også forårsage at leddet løsner sig af sig selv.
Ikke desto mindre vil smøring i væsentlig grad reducere eller endda frigøre låsemulighederne for enhver friktionsbaseret metode. Smøring bør aldrig anvendes i forbindelse med friktionsbaseret låsning, da det modvirker låsemulighederne.
Styring af klembelastningen er afgørende, og dette kan opnås ved at reducere spredning af friktion. Ved brug af boltede fugeforbindelser, der ikke er baseret på friktion til låsning, kan smøring anvendes.
Ved at reducere friktionen gennem smøring øges forspændingskontrollen, og spredningen sænkes markant. Derefter kan boltens fulde kapacitet bruges, og boltforbindelsens livscyklus forlænges. En bolt, der fejler på grund af træthed, forårsager uvelkomne produktionsstop.

Friktion udefra Nord-Locks synspunkt

Nord-Lock skiver sikrer bolteforbindelser med spænding i stedet for friktion. Skiverne er designet til at skabe en kileeffekt, og beviset herfor kan ses ved stigningen i spænding under løsningen.

Denne kileeffekt forhindrer bolten i at rotere løs. De boltede samlinger mister kun noget indledende forspænding på grund af normale aflejringer mellem kontaktfladerne.

At reducere gevindfriktion, mens samling fastgøres sikkert, betragtes ofte som umuligt. Med den spændingsbaserede kilelåsning af Nord-Lock kan dette dog opnås med smøring.
”Den kilelåsende metode er baseret på spænding i stedet for friktion,” siger Lena Kalmykova, applikationsingeniør hos Nord-Lock. ”Det mest almindelige eksempel på kilelåsningssystemet er et par spændeskiver, der har kamflader (riller) med en stigning, der er større end boltens gevindhøjde.

Spændeskiverne er installeret med kamflade mod kamflade. Når bolten / møtrikken strammes, griber tænderne fat i og låser de modstående overflader, så bevægelse kun er mulig over kamfladerne. Enhver rotation af bolten / møtrikken blokeres af kamfladernes kileeffekt. Kile-låseevnen påvirkes ikke af smøring. Ved at bruge den kan man desuden udnytte hver bolt til sin fulde kapacitet. ”

Fascinerende friktionsfakta

Friktion afhænger af overfladernes egenskaber - hvor flade, runde eller ru de er. Friktion afhænger også af, hvilken type medium overfladerne er i, hvis det er vådt eller tørt, eller hvilke partikler der er i mediet.
Det er et meget tværfagligt felt, idet det involverer forskellige områder såsom mekanik, kemi og væskedynamik. Du er nødt til at gå helt til atomniveauet for fuldt ud at indse i detaljer, hvad der foregår, når det kommer til friktion.

De klassiske regler for glidende friktion blev opdaget af Leonardo da Vinci. De blev genopdaget af Guillaume Amontons, der forklarede friktionens karakter som uregelmæssigheder på overfladen og som den krævede kraft til at hæve vægten ved at presse overfladerne sammen.
I det sidste århundrede blev det vist, at det faktiske kontaktareal mellem overflader på et mikroskopisk niveau er en meget lille brøkdel af det tilsyneladende område. Udviklingen af atomkraftmikroskopet har gjort det muligt for forskere at studere friktion i atomar skala.

Statisk friktion opstår mellem to overflader, der hviler mod hinanden. Konturerne på overfladerne har mulighed for at hvile i hinanden og virkelig få et godt greb.