Friktion: En naturkraft

Friktion är en faktor man inte ska bortse från när det gäller skruvåtdragning. I ett skruvförband finns det alltid friktion – och den kan utgöra en del av problemet eller en del av lösningen.

Friktion är en kraft som uppstår när två objekt kommer i kontakt med varandra. Friktion motverkar all rörelse. Oavsett i vilken riktning något rör sig drar friktionen det åt andra hållet.

Ändå behövs friktion. Utan den skulle vi inte kunna gå, sitta i en stol eller gå uppför en trappa. Allting skulle bara halka omkring.

Friktion i ett skruvförband

Frank Naumann, tidigare Managing Director för tyska föreningen för skruvförband, har mer än 50 års erfarenhet från friktionsbranschen. Han förklarar att det alltid finns friktion i ett skruvförband. Å ena sidan motarbetar friktionen att åtdragningsmomentet omvandlas till önskad förspänning, å andra sidan behövs den för att bevara förbandets förspänning så att inte delarna lossnar.

– Det finns två koefficienter som beskriver friktionen mellan de roterande delarna under åtdragningsprocessen. För det första är det friktionskoefficienten mellan bärytorna under skruvskallen eller under muttern µb (μb = brickfriktion) och för det andra friktionskoefficienten mellan gängorna µth (μth = gängfriktion). Båda delarna kräver mycket energi, vilken omvandlas till värme som inte tas om hand. Om exempelvis µb=µth= 0,10 omvandlas bara 16 procent av åtdragningsmomentet till förspänning. Det går att påverka koefficienternas omfattning genom kontrollerad smörjning. I fordonsindustrin ligger den oftast mellan 0,08 och 0,16, säger Frank Naumann.

Friktion som lösning - och problem

När det gäller skruvförband är friktionen oftast både en del av lösningen och en del av problemet. Klämkraften i en skruv beror såklart huvud­sakligen på vilket åtdragningsmoment som krävs för att dra åt skruven. Men den beror också på olika aspekter som skruvdiameter och skruvlängd, gängornas utformning och, sist men inte minst, vilka friktionskoefficienter som finns i gängorna och under skruvskalle och mutter.

Friktionskoefficienterna är nödvändig för att beräkna det åtdragningsmoment som krävs för att uppnå önskad förspänning samt för att beräkna den friktionskraft som uppstår mellan de klämda delarna.

De ungefärliga värdena på friktionskoefficient­erna som presenteras i olika tabeller är dock bara exempelvärden. De bör jämföras med andra informationskällor och helst testas också.

Det värde som uppnås vid åtdragning i gängorna och mellan den åtdragna skruvskallen och muttern samt på materialet skruven är fäst i och brickan, om sådan används. Vid åtdragningen går i själva verket nästan all energi som används för att dra åt skruven till spillo för att motverka friktionen under skruvskalle, mutter och gängor. Bara en liten del av åtdragningsmomentet överförs till klämkraften eller spänningen.

Friktion och momentnyckel

Momentnycklar anger inte ett direkt mått för skruvens förspänning. När åtdragningsmomentet appliceras måste den statiska friktionen under skruvens skalle och muttern motverkas, beroende på vilken ände som dras åt, och dessutom friktionen i gängorna.

Mycket av det åtdragningsmoment som appliceras, cirka 50 procent, går förlorat när friktionen under skruvskalle och mutter ska övervinnas, och cirka 40 procent går förlorat i  gängfriktion. Endast resterande 10 procent av det applicerade åtdragningsmomentet återstår till att sträcka skruven och skapa förspänning.

Friktion används ofta som en metod för att låsa skruvförband. Vanligast är deformerade gängor eller låsmuttrar av nylon eller sågtandade/tandade/stjärnformade brickor. I dessa lösningar baseras principen för friktionslåsning på ökad friktion i gängan eller under skruv­huvud och mutter.

Faktorer som torsion, skärning och kallsvetsning kan ytterligare påverka dessa friktionsbaserade lösningar på ett negativt sätt.

Det kan också uppstå problem på grund av ökad torsionsbelastning i skruvförbandet vid friktionsbaserade låsmetoder. Hög torsion kan göra att skruven överbelastas vid en lägre förspänning än förväntat. Eftersom friktions­förhållandena varierar finns det risk att den önskade förspänningen inte öppnås.

Oförutsedd gängskärning

I skruvförband gjorda av exempelvis rostfritt stål, aluminium kan titan det också uppstå oförusedd gängskärning. Skärning uppstår när skruvförbandet dras åt och ett tryck byggs upp mellan kontaktyta och glidyta på gängorna.

I extrema fall leder skärning till kallsvetsning, vilket innebär att gängorna fastnar i varandra och skruven inte kan rubbas. Om man ändå fortsätter att dra åt skruvförbandet kan det gå av eller göra att gängorna går sönder.

Bruk av smörjmedel för att minska friktionen

Det är vanligt att använda smörjmedel för att minska friktionen och hålla klämkraften på en jämn nivå. Att smörja interna och externa gängor kontinuerligt kan även det eliminera att gängorna skär.

Enligt Michael Stähler, Product Manager på Dörken, är det numera vanligt att behandla skruven eller muttern med en ytbehandling som passar för den uppgift skruvförbandet ska användas till. Ofta innehåller ytbehandlingen ett smörjmedel – att applicera smörjmedlet separat efter en ytbehandling gör man inte längre eftersom det inte är tidseffektivt. Dessutom kan yt­behandlingar som inte är temperaturstabila göra att skruvförbandet lossnar av sig självt.

Smörjmedlet gör att friktionsbaserade låsmetoder får minskad eller helt förlorad effekt. Smörjning bör aldrig användas i kombination med friktionsbaserad låsning eftersom lås­kapaciteten då motarbetas.

Det är mycket viktigt att kunna kontrollera klämkraften, något som kan göras genom att minska friktionens spridningsområde. När man använder skruvsäkringsmetoder som inte är baserade på friktion går det att använda smörjmedel.

Genom att minska friktionen med hjälp av smörjning får man ökad kontroll på förspänningen, och spridningen sänks avsevärt. På så sätt kan skruvens hela kapacitet utnyttjas, och skruvförbandets hållbarhet förlängs. Ett skruvbrott som uppstår på grund av utmattning orsakar ovälkomna produktionsstopp.

Friktion från Nord-Locks sida

Nord-Lock brickor säkrar skruvförband med spänning istället för friktion. Brickorna är utformade att skapa en killåsningseffekt och beviset på detta tydliggörs genom att spänningen ökar när skruven demonteras.

Kileffekten förhindrar att skruven roterar och lossnar eller lossnar på grund av vibrationer och stötar. Skruvförbandet förlorar bara lite av den initiala förspänningen på grund av normala sättningar mellan kontaktytorna.

Förspänning som möjlig lösning

Att ha ett säkert skruvförband samtidigt som man minskar gängfriktionen anses ofta vara omöjligt. Med Nord-Locks killåsning som förlitar sig på förspänning går det dock att uppnå detta med smörjning.

– Killåsningsmetoden är baserad på förspänning istället för friktion. Det vanligaste exemplet på killåsningssystemet är ett par brickor som har kammar som är högre än skruvens gängstigning. Brickparet monteras kamyta mot kamyta. När skruven/muttern dras åt greppar tänderna fast i materialet och låser sig, vilket gör att inga andra rörelser än längs kamytorna kan förekomma. Försök till rotation av skruv/mutter förhindras av kammarnas killåsningseffekt. Låsfunktionen påverkas inte av smörjning. Dessutom kan du utnyttja varje skruvs fulla kapacitet, säger Lena Kalmykova, Application Engineer på Nord-Lock.

Fascinerande friktionsfakta

Friktion hänger ihop med ytornas egenskaper – hur platta, rundade eller grova de är. Friktion beror också på andra faktorer i ytornas omgivning, om det är vått eller torrt, och vilken typ av partiklar det finns.

Friktion är väldigt tvärvetenskapligt i och med att det innefattar olika områden som mekanik, kemi och fluid­mekanik. Man måste gå ända ner på atomnivå för att till fullo förstå vad som sker när det gäller friktion.

Friktionens klassiska regler upptäcktes av Leonardo da Vinci. De återupptäcktes av Guillaume Amontons, som presenterade friktionens beskaffenhet som ytors oregelbundenhet och den kraft som krävs för att öka den vikt som pressar samman ytorna.

Förra århundradet visade det sig på mikroskopisk nivå att den faktiska kontaktytan mellan två ytor är en väldigt liten del av det skenbara området. Atomkraftsmikroskopins utveckling har gjort att vetenskapsmän kan studera friktion på atomisk nivå.

Statisk friktion uppstår mellan två ytor som vilar mot varandra. Ytornas struktur kan haka fast i varandra och få till ett riktigt bra grepp.