ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ В РЕЗЬБЕ Российский патент 2024 года по МПК G01N19/02 

Изобретение относится к машиностроению, к способам определения коэффициента трения в резьбе.

Известно, что у деталей из алюминиевых сплавов величина коэффициента трения сильно зависит от наличия смазки в зоне контакта. В справочной литературе при указании величины коэффициента трения алюминия по стали часто бывает указано, что детали обезжирены.

При изготовлении приборов нередко стальные винты ввинчиваются в тонкую стенку из алюминиевого сплава, при этом надо указать момент затяжки этого винта. Фактором, ограничивающим величину момента затяжки, часто является прочность алюминиевой детали. Для метрической резьбы получены соотношения, позволяющие по величине крутящего момента определить величины растягивающей осевой силы, действующей на стержень винта. Для расчетов по этим соотношениям требуется знать величину коэффициента трения в резьбе. В настоящее время для «фиксации» резьбового соединения используются анаэробные герметики, фиксаторы резьбы и т.д. Но эти составы в момент завинчивания (до их отверждения) могут «выполнять роль смазки» (тем самым заметно изменять коэффициент трения в резьбе). Поэтому актуальной является задача определения коэффициента трения в резьбе, в том числе, при малых нагрузках, в том числе, при наличии различных составов на резьбе.

В разных изданиях приводятся несколько разные соотношения при описании процессов завинчивания и отвинчивания. Кроме того, что используются разные обозначения, есть и другие причины. В некоторых случаях рассматривается только метрическая резьба. В некоторых случаях в соотношениях отбрасываются малые величины. В других изданиях рассмотрены более общие случаи.

В данном описании использованы ссылки на следующие издания.

1. Кухлинг X. Справочник по физике. Пер. с нем. 2-е изд. М.: Мир, 1985, 520 с.

2. Ряховский О.А., Сыромятников B.C. Экспериментальное определение коэффициентов трения в болтовом соединении. Журнал: «Известия высших учебных заведений. Машиностроение». №10 [679], 2016 г. С. 18-25.

3. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Ред. Совет. Фролов К.В. предс. ред. совета. Раздел IV. Конструирование машин. Том IV-1. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. Редактор-составитель: Д.Н. Решетов. / Д.Н. Решетов, А.П. Гусенков, Ю.Н. Дроздов и др. М.: Машиностроение, 1995, 864 с. (См. стр. 372).

4. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1989, 496 с.

5. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. 4-е изд., перераб. и доп. М., Машиностроение, 2003, 448 с. (См. стр. 424)

6. Иосилевич Г.Б. Детали машин. М.: Машиностроение, 1988, 368 с.

7. Иванов М.Н. Детали машин. Под ред. В.А. Финогенова. 6-е изд., перераб. М.: Высш. шк., 1998, 383 с.

8. Агеев B.C., Кабанов Е.Б., Дерновой А.Н. Защитные покрытия на основе цинка для высокопрочных крепежных изделий. Стр. 29-31 в журнале «Крепеж, клеи, инструмент и…», №1(59), 2017.

9. Кабанов Е.Б., Дерновой А.Н. О выборе защитных покрытий для высокопрочных крепежных изделий. Стр. 37-45 в журнале

«Крепеж, клеи, инструмент и…», №1(51), 2015.

10. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

11. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Ред. Совет. Фролов К.В. преде, ред. совета. Неметаллические конструкционные материалы. Том П-4 / Ю.В. Антипов, П.Г. Бабаевский, Ф.Я. Бородай и др. Под ред. А.А. Кулькова. М.: Машиностроение, 2005, 464 с.

12. Полимеры в узлах трения машин и приборов. Справочник. Под общ. ред. А.В. Чичинадзе. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1988, 328 с.

Основные обозначения

F - усилие, растягивающее стержень болта;

М_зав - крутящий момент при завинчивании;

М_отв - крутящий момент при отвинчивании;

ψ - угол подъема резьбы (радианы);

γ - угол, характеризующий профиль резьбы, для метрической резьбы γ=α/2=30°;

d_o - наружный диаметр резьбы стержня болта;

d₂ - средний диаметр резьбы (диаметр воображаемого цилиндра, образующая которого пересекает резьбу в таком месте, где ширина выступа равна ширине впадины [7] (см. стр. 22));

f - коэффициент трения материала гайки по материалу винта;

f_пр=f₁ - приведенный коэффициент трения в резьбе.

Для приближенных расчетов, для описания связи между моментом затяжки гайки М_зат и силой F, растягивающей стержень болта, рекомендовано использовать приближенное соотношение; в [3], [4] для коэффициента трения 0,15 под гайкой и материала гайки по материалу болта рекомендовано использовать приближенное соотношение:

В [5] (см. стр. 424) использовано приближенное соотношение:

М_зат≈0,15×F×d_o.

Здесь d_o - это наружный диаметр резьбы стержня болта.

Числовой коэффициент в приведенных выше соотношениях часто называют: коэффициент закручивания.

В журнале, в работе [8] приведена такая информация. Коэффициент закручивания: 0,15-0,20; 0,11-0,17; 0,24; 0,12-0,15; 0,22-0,26.

В журнале, в работе [9] приведена такая информация. Коэффициент закручивания: 0,11-0,20.

Например, в [5] (см. стр. 422, 423) приведены приближенные соотношения типа (здесь М_зат - момент затяжки; F_зат - усилие, растягивающее стержень болта; d_o - наружный диаметр резьбы стержня болта; f - коэффициент трения поверхности гайки по болту; f_o - коэффициент трения на кольцевой опорной поверхности гайки):

Таким образом, одним из путей уточнения соотношения типа (1) является уточнение коэффициента трения поверхности гайки по болту (т.е. коэффициента трения в резьбе).

В [3] (см. стр. 355) сказано следующее. Коэффициент трения в резьбе зависит от материала болта и гайки, покрытия, наличия или отсутствия смазывания, числа затяжек и других факторов. При отсутствии экспериментальных данных f_p принимают по таблице 1.

В [6] (см. стр. 84) приведены несколько другие данные о коэффициенте трения (см. таблицу 2).

В [2] (см. стр. 21) приведены данные о значениях коэффициентов трения в резьбе f и на торце гайки f_т, представленные в таблице 3.

Иногда на практике требуется знать более точное соотношение типа (1). Одним из путей уточнения соотношения типа (1) является уточнение коэффициента трения в резьбе для данной резьбовой пары. Данное изобретение нацелено на решение данной проблемы.

Надо заметить, что бывает правая резьба, бывает левая резьба. Далее при написании текста описания изобретения предполагается, что резьба правая (в частности, говоря, что при вращении стержня болта какие-то детали удаляются друг от друга, имеется в виду, что резьба правая).

Известен (см. в книге [1] стр. 74 и рисунок на этой стр.) способ определения коэффициента трения. Этот способ заключается в следующем. На горизонтальной поверхности располагают тело, например, в виде прямоугольного параллелепипеда. К телу в горизонтальном направлении прикладывают силу. Эта сила постепенно увеличивается до тех пор, пока тело не начнет двигаться. При этом фиксируют значение этой силы. Пусть F_н - сила нормального давления, которая прижимает тело к опоре (т.е. вес тела). Предполагается, что при испытаниях выполняются «идеальные» условия. В частности, материал тела является однородным, так что центр тяжести тела совпадает с геометрическим центром тела. К телу прикладывают силу в горизонтальном направлении так, что линия действия этой силы проходит через цент тяжести тела. При воздействии сил тело перемещается поступательно (без «опрокидывания» и т.п.).

К телу в горизонтальном направлении прикладывают силу F (направление этой силы параллельно боковым граням этого параллелепипеда). Постепенно увеличивая значение силы F, экспериментально определяют значение силы F_тр, при котором тело начинает двигаться. При этом коэффициент трения (покоя) f вычисляют, учитывая соотношение

F_тр=f×F_н, т.е.

f=F_тр/F_н.

Совпадающие признаки. Определяют (измеряют) силу, которая прижимает тело к опоре. Определяют (измеряют) значение силы, при котором тело начинает двигаться.

Недостатки. Этот способ трудно реализовать для оценки величины коэффициента трения в резьбе.

Известен (см. в книге [1] стр. 74-75 и верхний рисунок на стр. 75) способ определения коэффициента трения. В этой книге (в указанном выше месте) сказано следующее. Коэффициент трения можно определить экспериментально. Для этого помещают тело на наклонную плоскость и определяют угол наклона, при котором тело начинает двигаться (коэффициент трения покоя f_o), а также угол наклона, при котором тело движется с постоянной скоростью (коэффициент трения скольжения f₁). Если: f - искомый коэффициент трения; α - угол наклона наклонной плоскости, то при указанных условиях имеем: сила трения равна скатывающей силе. f=tg(α).

Совпадающие признаки. Определяют условия, при которых тело начинает двигаться.

Кроме того, винтовая линия резьбы идет под углом (к нормали к стержню болта) и в данном случае используется наклонная плоскость.

Недостатки. Этот способ трудно реализовать для оценки величины коэффициента трения в резьбе.

Известен способ определения коэффициента трения в резьбе (см. в [2] статью «Экспериментальное определение коэффициентов трения в болтовом соединении», авторы О.А. Ряховский, B.C. Сыромятников, в журнале «Известия высших учебных заведений. Машиностроение»; см. стр. 22 и 23 в этом журнале и рис. 6 на стр. 22). Этот способ принят в качестве прототипа. Этот способ заключается в следующем. Исследуемый болт вставляют в стенд. Стенд позволяет замерить усилие растяжения стержня болта; стенд оборудован площадкой для упора гайки; стенд оборудован площадкой для упора головки болта. Причем есть вспомогательное приспособление, которое может удерживать головку болта от проворачивания при воздействии крутящего момента при завинчивании гайки, причем это приспособление при испытаниях может использоваться, а может не использоваться.

Итак, болт вставляют в отверстие в стенде, накручивают гайку на резьбовой стержень болта. Намечают значение величины силы, растягивающей стержень болта при закручивании гайки. Сначала для заданного значения силы затяжки экспериментально определяют момент завинчивания при неподвижной (т.е. закрепленной от проворачивания) головке болта. Затем при той же силе затяжки F, но при снятой стопорной скобе к гайке гаечным ключом прикладывают крутящий момент, стремящийся завинчивать гайку, при этом определяют момент М_о (т.е. момент, при котором головка болта прокручивается). Моменты завинчивания контролируют по индикатору динамометрического ключа.

Т.е. после затяжки гайки до заданной силы F моментом Т, стопорную скобу снимали с головки болта и определяли момент М_о (т.е. момент, при котором стержень болта вращается (прокручивается) вместе с гайкой).

Далее по известным формулам по результатам эксперимента рассчитывали моменты трения Т_т и Т_р на торце гайки и в резьбе, коэффициенты трения на торце гайки f_т и в резьбе f, а также приведенный коэффициент трения в резьбе f₁. При этом при выводе этих расчетных формул предполагалось, что величины коэффициента трения на торце гайки и под головкой болта совпадают. Более того, этот стенд предполагает наличие двух опорных зон исследуемого объекта испытаний (зона упора гайки и зона упора головки болта). Следует также отметить, что в указанной статье (см. в [2] стр. 21, левая колонка, последний абз.) указано: «способ исследования, примененный в работе, основан на том, что коэффициент трения в резьбе f больше коэффициента трения на торце гайки f_т…. Это приводит к тому, что моменты сил в резьбе больше моментов трения на торце гайки…, как было показано выше в примере…».

Итак, исследуемый болт вставляют в отверстие в этом стенде. Фиксируют от проворачивания головку болта. Навинчивают на болт и завинчивают гайку протарированным (для замера момента завинчивания) гаечным ключом. Этот стенд оснащен устройством для замера усилия растяжения стержня болта. Фиксируют (т.е. замеряют) усилие растяжения стержня болта и момент закручивания гайки. Затем освобождают от стопорной скобы головку болта. Прикладывают к гайке момент завинчивания гайки, величина которого постепенно увеличивается до момента проворачивания (под головкой болта и под гайкой одновременно). Фиксируют значение этого момента М_о. При одном и том же значении усилия растяжения стержня болта проводят несколько замеров, определяя значения момента «проворачивания».

Затем фиксируют от проворачивания головку болта. Завинчивают гайку протарированным гаечным ключом до другого значения момента завинчивания гайки (т.е. соответственно до другого значения усилия растяжения стержня болта). Затем освобождают от стопорной скобы головку болта. И повторяют описанные выше действия, включая замеры усилия растяжения стержня болта F и момента проворачивания М_о, но при другом значении усилия растяжения.

В результате серии таких испытаний экспериментально получают серию значений величин:

F - усилие растяжения стержня болта;

М_зав - момент завинчивания гайки (при фиксации головки болта от проворачивания);

М_о - величина крутящего момента (момента завинчивания), при которой происходит «прокручивание» (проскальзывание одновременно и под головкой болта и под гайкой).

Затем для каждой серии замеренных величин (F, М_зав, М_о) по известным соотношениям вычисляют значение коэффициента трения в резьбе.

На основании анализа и преобразований расчетных формул, приведенных в [2], получены следующие соотношения.

Для расчета приведенного коэффициента трения в резьбе f₁ имеем

f₁=2/(F×d₂)×[М_зав-М_о×d_т/(d_б+d_т)]-tg(ψ).

Если принять, что d_б≈d_т, то получим

f₁≈2/(F×d₂)×(М_зав-М_о/2)-tg(ψ).

Если в соотношении

f₁=f/{cos(ψ)×[cos(α/2)×cos(ψ)-f×sin(ψ)]}

считать, что ψ малый угол, при этом cos(ψ)≈1; sin(ψ)≈0, то получим

f₁=f/cos(α/2).

Значит, f=f₁×cos(α/2).

В более общем случае, f найдем, решая уравнение

f₁×cos(ψ)×[cos(/2)×cos(ψ)-f×sin(ψ)]=f.

Значит, f=f₁×cos(α/2)×cos²(ψ)/[1+f₁×cos(ψ)×sin(ψ)].

Напомним, что здесь: f₁ - приведенный коэффициент трения в резьбе; f - коэффициент трения материала гайки по материалу болта (при этом надо иметь ввиду, что между этими материалами может быть смазка или другой состав).

В приведенных выше соотношениях: d_т - средний диаметр опорной поверхности гайки; d_б - средний диаметр опорной поверхности головки болта; d₂ - средний диаметр резьбы болта; для метрической резьбы α=60°; ψ - угол подъема резьбы (радианы).

Совпадающие признаки. Замеряют усилие растяжения стержня болта. Для создания крутящего момента используют гаечный ключ. Некоторые детали фиксируют от проворачивания. Прикладывают крутящий момент к исследуемой детали. Фиксируют значение крутящего момента, при котором происходит взаимное проворачивание деталей. При одном и том же значении усилия растяжения стержня болта проводят несколько замеров, определяя значения моментов «проворачивания» деталей.

Недостатки. В данном случае требуется, чтобы объект исследования имел две опорные поверхности (опорная поверхность под гайкой и опорная поверхность под головкой болта). Кроме этого, предполагается, что в зоне этих двух опорных поверхностей реализуются силы трения, характеризуемые одинаковым значением коэффициента трения.

Для решения проблемы экспериментального определения коэффициента трения в резьбе предложено использовать набор дисков. Причем эти диски поджимаются друг к другу усилием, равным усилию, которым растягивается стержень болта. При этом, при вращении системы этих дисков, на каждой границе между этими дисками реализуются силы трения, характеризуемые разным значением момента сил трения.

Задача изобретения: обеспечить возможность проведения исследований по определению коэффициента трения в резьбе для объектов, не имеющих две опорные поверхности.

Эта задача решается тем, что собирают цепочку деталей (см. фиг. 1). Эта цепочка деталей состоит из: устройство для растяжения стержня болта, динамометр, тросик, два вертлюга, пружина растяжения, наконечник, исследуемый резьбовой стержень с гайкой; набор дисков, между рабочими поверхностями которых (при вращении) реализуются силы трения, характеризуемые разным значением момента сил трения. Причем часть этих дисков (через один) имеют (с двух сторон) кольцевые зоны с покрытием (причем на разных сторонах этих дисков покрытие сделано из того же материала (т.е. имеет тоже значение коэффициента трения), но эти кольцевые зоны имеют другое значение диаметров, т.е. реализуются силы трения, характеризуемые разным значением момента сил трения). Причем, в наборе эти диски располагают так, что момент сил трения (при вращении) на каждой границе (между дисками) последовательно убывает (например, слева направо).

Технический результат изобретения заключается в следующем. Обеспечивается возможность определения коэффициента трения в резьбе для объектов, не имеющих две опорные поверхности.

Использование указанной выше цепочки деталей позволяет проводить исследования без использования оборудования, имеющего две опорные поверхности.

То, что собирают цепочку деталей (см. фиг. 1), при этом эта цепочка деталей состоит из: устройство для растяжения стержня болта, динамометр, тросик, два вертлюга, пружина растяжения, наконечник, исследуемый резьбовой стержень с гайкой; набор дисков, между рабочими поверхностями которых (при вращении) реализуются силы трения, характеризуемые разными значениями момента сил трения (причем часть этих дисков (через один) имеют кольцевые зоны с покрытием (с двух сторон), причем, в наборе эти диски располагают так, что момент сил трения на каждой границе последовательно убывает (например, слева направо) обуславливает причинно-следственную связь между задачей изобретения и техническим результатом изобретения.

Можно иметь несколько наборов дисков. Если, например, неизвестна оценка величины f, то вначале используется набор дисков, у которого (при вращении) величина момента сил трения дискретно меняется с большим шагом. После того, как на основании предварительных испытаний получена оценка величины коэффициента трения в резьбе, берут другой набор дисков, у которого (при вращении) величина момента сил трения дискретно меняется с малым шагом (около предварительно полученной оценки). При необходимости может проводиться еще одно уточнение величины коэффициента трения в резьбе. Для этого берется другой набор дисков.

Итак, при решении рассматриваемой проблемы предложено использовать диски, имеющие кольцевые зоны с покрытием.

Диаметр этих дисков в несколько раз больше среднего диаметра резьбы d₂. Поэтому, чтобы были близкие значения момента сил трения (в резьбе и между этими дисками), следует на диски наносить покрытия в виде узких кольцевых зон, коэффициент трения материала покрытия узких кольцевых зон этих дисков должен быть меньше, чем коэффициент трения стали по стали. Поэтому, выбирая материалы для покрытий этих узких кольцевых зон дисков, следует рассмотреть данные о свойствах (о величине коэффициента трения), например, для различных полимерных материалов, для различных марок бронз и т.д.

В [10] приведены данные о коэффициенте трения f (см. стр. 124-132). На стр. 130 приведены данные для различных бронз: f имеют значения от 0,009 до 0,18. (В [10] см. стр. 130; таблица 6.16. Ориентировочные значения коэффициента трения для подшипников скольжения по стали при смешанной и несовершенной смазке.)

В [11] приведены данные о фторопласте (см. стр. 47-64). Коэффициент трения f зависит от условий (см. стр. 50). Например, при нагрузке, соответствующей 0,1 МПа, f=0,4; а при нагрузке, соответствующей 2,0 МПа, f=0,05. Кроме того, f зависит от скорости скольжения, от температуры.

В [12] также приведены сведения для различных полимерных материалах о влиянии условий нагружения на величину коэффициента трения.

В справочной литературе часто приводятся данные о коэффициенте трения по стали.

Итак, нужны материалы с малым значением коэффициента трения. Один класс материалов - это полимеры. Но у ряда полимеров значения коэффициента трения сильно зависят от условий. На эту тему для фторопласта см., например, [11] (стр. 50). Поэтому более целесообразно использовать, например, разные марки бронзы (см., например, в [10] стр. 130). Возможно, что будет какой-то другой материал, но в данном описании, в основном, будем писать слово «бронза».

Таким образом, на фиг. 1 следует расположить диски по такой схеме: через один располагаются обычные диски из стали; между ними ставят диски, на которых сделаны кольцевые зоны из бронзы определенной марки. Каждый такой диск с одной стороны имеет кольцевую зону из бронзы, причем кольцевая зона имеет радиусы R₁ и R₂. С другой стороны диска кольцевая зона имеет другие значения радиусов R₁ и R₂. Удобно все кольцевые зоны изготавливать из бронзы одной марки, но при этом разные кольцевые зоны имеют другие значения радиусов R₁ и R₂. В каждой контактной зоне должен быть известен коэффициент трения и значения радиусов R₁ и R₂. (При вращении по этим данным можно вычислить момент сил трения) В наборе диски располагают так, чтобы «при движении» слева направо момент сил трения (при вращении) в контактных зонах убывал. Выше использовано слово «покрытие», имеется в виду утолщение из бронзы (т.е. узкое кольцевое утолщение из бронзы).

Если (при вращении стержня болта) у крайней справа границы между дисками момент сил трения меньше, чем момент сил трения в резьбе, то при вращении резьбового стержня, гайка будет неподвижна относительно резьбового стержня. При этом будет наблюдаться скольжение дисков относительно друг друга между дисками, имеющими крайнюю правую границу, между собой. Надо «застопорить» от взаимного поворота диски на этой границе и опять приложить крутящий момент к резьбовому стержню. Если гайка опять останется неподвижной (при вращении) относительно резьбового стержня, а будет наблюдаться «проскальзывание» в зоне границы дисков, то надо эти диски «застопорить» и опять приложить вращающий момент к резьбовому стержню. И так до тех пор, пока гайка не начнет вращаться относительно резьбового стержня. Условию: гайка начала вращаться относительно резьбового стержня, соответствуют условия, что момент сил трения в резьбе меньше момента сил трения между последними «незастопоренными» дисками (т.е. дисками, ближайшими к «застопоренным»), но больше (или равен) величины момента сил трения на границе между последними «застопоренными» дисками. //В данном случае, говоря, что момент сил трения в резьбе меньше… (или больше…), имеется в виду максимальное значение момента, при котором еще нет «проскальзывания».//

Считаем, что кольцевая зона достаточно «узкая», имеет средний радиус R_сред, тогда момент сил трения М_тр, можно вычислить по соотношению

М_тр=f×F×R_сред,

где f - коэффициент трения в данной зоне, F - «сжимающая» сила (т.е. сила сжимающая диск, равная усилию, которым растягивают стержень болта), R_сред можно вычислить по формуле

R_сред≈(R₁+R₂)/2,

где R₁ и R₂ наружный и внутренний радиус данной кольцевой зоны.

В данном случае считаем, что у всех дисков кольцевые зоны имеют разные значения R₁ и R₂.

Застопорить нужные диски от взаимного «проворота» можно, например, пальцами руки.

Для безопасности, можно зону установки резьбового стержня (и смежных деталей) закрыть прозрачным экраном.

Коэффициент трения на каждой границе соседних дисков должен быть известен (в данном случае он имеет одно и тоже значение).

Удобней диски собрать в наборы. Например, одеть их на трубку. Между этой трубкой и дисками можно расположить, например, пленку из фторопласта (или два слоя пленки из фторопласта). Между резьбовым стержнем и этой трубкой также можно расположить пленку из фторопласта. Во всяком случае, резьбовой стержень должен свободно вращаться и перемещаться относительно этой трубки. Т.е. не должно возникать заметных сил и моментов сил трения между этими деталями.

На фиг. 1 диски нарисованы вплотную друг к другу, так нарисовано для удобства изображения, фактически на части дисков (через один) нанесены узкие кольцевые зоны из бронзы (или другого материала, т.е. контакт между соседними дисками фактически осуществляется по этой узкой кольцевой зоне).

В принципе можно использовать не только бронзу, но, возможно, и другой материал. Но обычно в этом описании будем писать: бронза.

На фиг. 1 показана схема установки деталей.

На фиг. 2 показана схема устройства диска с кольцевой зоной из бронзы. На фигурах обозначены следующие детали.

1. Устройство для растяжения стержня болта.

2. Динамометр.

3. Тросик.

4. Вертлюг.

5. Вертлюг.

6. Пружина растяжения.

7. Наконечник.

8. Исследуемый резьбовой стержень (резьба на фиг. не показана).

9. Гайка (резьба на фиг. не показана).

10. Головка болта. Точнее говоря, это «хвостовик» резьбового стержня. Если резьбовой стержень представляет собой шпильку, то этот хвостовик имеет плоские поверхности, чтобы гаечным ключом можно было вращать этот резьбовой стержень. (Или здесь накручивают и стопорят наконечник, имеющий (снаружи) форму гайки, т.е. приспособленный для вращения гаечным ключом.)

11. Неподвижно закрепленный упор.

12. Стальной диск с гладкой поверхностью.

13. Стальной диск, у которого на одной поверхности нанесен кольцевой слой из бронзы одного диаметра, а на другой поверхности нанесен кольцевой слой из бронзы другого диаметра.

14. Стальной диск с гладкой поверхностью.

15. Стальной диск, у которого на одной поверхности нанесен кольцевой слой из бронзы одного диаметра, а на другой поверхности нанесен кольцевой слой из бронзы другого диаметра.

16. Стальной диск с гладкой поверхностью.

17. Стальной диск, у которого на одной поверхности нанесен кольцевой слой из бронзы одного диаметра, а на другой поверхности нанесен кольцевой слой из бронзы другого диаметра.

18. Стальной диск с гладкой поверхностью.

19. Кольцевой слой из бронзы.

20. Отверстие в диске.

Диски и диски с кольцевыми зонами из бронзы представляют собой тела вращения. Количество дисков на фиг. показано условно.

Устройство для натяжения стержня болта одним концом крепится к неподвижной стойке, другим концом к динамометру 2. В простейшем случае устройство 1 может представлять собой груз, подвешенный через блок.

Динамометр 2 служит для замера осевой силы, приложенной к резьбовому стержню. Пружина растяжения 6 в рабочем состоянии должна быть заметно растянута, чтобы вращение резьбового стержня 8 на небольшой угол не приводило к заметным изменениям осевой растягивающей силы, приложенной к резьбовому стержню 8 (т.е. показания динамометра 2 должны быть стабильны). Вертлюги 4 и 5 (а также тросик 3) устанавливаются для того, чтобы вращению резьбового стержня 8 препятствовали только силы трения в резьбе.

Следует проводить отдельные замеры при завинчивании и отдельные замеры при отвинчивании.

Гайка 9 закреплена от проворачивания относительно диска 12 (возможно, что будет достаточно сил трения между деталями 9 и 12).

Чтобы уменьшить момент сил трения при взаимном повороте деталей вертлюга, следует в вертлюгах 4 и 5 использовать упорные подшипники.

В упоре 11 сделано отверстие, в которое свободно входит стержень 8. Надо следить за тем, чтобы резьба детали 8 не зацеплялась за деталь 11, чтобы не мешать повороту детали 8 при завинчивании и при отвинчивании; возможно, что здесь следует использовать пленку из фторопласта.

Детали 8, 6, 2 (и др.) располагают «соосно». Чтобы не было заметного «провисания», детали 6, 1, 2 (и др.) можно располагать на гладкой горизонтальной поверхности (возможно, что для каждой такой детали будет своя гладкая горизонтальная поверхность). Вместо «хвостовика» 10 может использоваться головка болта, которая будет поворачиваться, например, гаечным ключом. Болт (или резьбовой стержень 8 (далее обычно будем использовать слово: болт)) ввинчивают в гайку 9 так, чтобы концевая часть стержня болта прошла сквозь отверстие в упоре 11 и удалилась от упора 11. Фактически, после того как болт будет ввинчен в гайку и концевая часть стержня болта удалится от гайки, надо на стержень болта надеть диски 12 -18 (удобно, если диски будут собраны в наборы). После этого стержень болта 8 вставляют в отверстие в упоре 11, после этого на концевую часть стержня болта 8 накручивают приспособление, с которым легко можно скрепить вертлюг 5. Например, это приспособление может представлять собой наконечник 7. Наконечник 7 завинчивают «до упора» так, чтобы не было проскальзывания между деталями 7 и 8 при вращении резьбового стержня 8. Фактически может оказаться, что длины стержня болта не хватит для размещения дисков 12-18, тогда можно, например, использовать «удлинитель» стержня болта. Или для испытаний (исследований) можно использовать специально изготовленный болт, длина которого позволяет разместить диски 12-18 (этот болт изготавливают из того же материала, что и натурный болт; на резьбу наносят нужный состав).

Исследования проводятся следующим образом. //Предполагается, что размеры деталей и зоны их расположения подобраны так, что можно расположить детали по схеме, показанной на фиг. 1.// Сначала назначают величину силы, растягивающей стержень болта. При необходимости, например, нужные детали обезжиривают, или на резьбовые части наносят нужную смазку (или нужный состав). Затем, согласно схеме, указанной на фиг. 1, скрепляют друг с другом детали. Динамометр 2 одним концом крепится к устройству 1, предназначенному для растяжения исследуемого стержня болта. Динамометр 2 и пружину растяжения 6 располагают на гладких горизонтальных поверхностях. Соединив детали по схеме, показанной на фиг. 1, с помощью устройства 1 создают в исследуемом резьбовом стержне растягивающее усилие, выбранной величины. При этом величину растягивающей силы контролируют по динамометру 2, при этом пружина растяжения 6 должна заметно растянуться (это требуется, чтобы при малых смещениях, вызванных поворотом стержня болта, сила, растягивающая болт, была почти постоянной).

Итак, система подготовлена к исследованиям (т.е. собрана цепочка деталей (см. фиг. 1), приложена сила, растягивающая стержень болта).

Сначала рассматривается процесс при завинчивании (имеется в виду, что в этом случае вертлюг 5 удаляется от динамометра 2).

Затем рассматривается процесс при отвинчивании (имеется в виду, что в этом случае вертлюг 5 приближается к динамометру 2). Конечно, момент сил трения может зависеть от продолжительности относительного неподвижного состояния деталей и т.д. Поэтому, перед проведением замеров, следует повращать стержень болта то в одну, то в другую сторону. Если при этом проводятся замеры, то надо обязательно фиксировать: замеры проводятся при завинчивании или при отвинчивании.

Если у крайней справа границы между дисками момент сил трения меньше, чем момент сил трения в резьбе, то при вращении резьбового стержня, гайка будет неподвижна относительно резьбового стержня. При этом будет наблюдаться скольжение дисков относительно друг друга между дисками, имеющими крайнюю правую границу, между собой. Надо «застопорить» от взаимного поворота диски на этой границе и опять приложить крутящий момент к резьбовому стержню. Если гайка опять останется неподвижной (при вращении) относительно резьбового стержня, а будет наблюдаться «проскальзывание» в зоне границы дисков, то надо эти диски «застопорить» и опять приложить вращающий момент к резьбовому стержню. И так до тех пор, пока гайка не начнет вращаться относительно резьбового стержня. Условию, что гайка начала вращаться относительно резьбового стержня, соответствуют условия, что момент сил трения в резьбе меньше момента сил трения между последними «незастопоренными» дисками (т.е. дисками, ближайшими к «застопоренным»), но больше (или равен) величины момента сил трения на границе между последними «застопоренными» дисками. //В данном случае, говоря, что момент сил трения в резьбе меньше… (или больше…), имеется в виду максимальное значение момента, при котором еще нет «проскальзывания».//

Для статистики такие замеры (при одном и том же значении усилия, растягивающего стержень болта) повторяют несколько раз.

Затем меняют значение усилия F, растягивающего стержень болта, и проводят аналогичные замеры.

Во-первых, зная шаг резьбы Р, вычисляют угол подъема винтовой линии резьбы ψ (в радианах),

ψ=P/(πd₂).

Для создания нагрузки, растягивающей стержень болта, можно использовать подвешенный на тросике груз, который с помощью блока воздействует на стержень болта.

Если проводятся исследования при наличии на резьбе жидкого состава, который должен «затвердеть», то следует быстро (до «затвердевания») «развинтить» систему и, при необходимости, очистить от этого состава стержень болта и гайку.

После каждого этапа исследований следует детали вернуть в исходное положение, чтобы усилие, растягивающее стержень болта, было примерно той же величины.

Для безопасности при проведении работ, зону расположения разных деталей можно оградить экраном из прозрачного материала.

На фигурах толщина дисков показана условно. Фактически диски могут быть заметно тоньше. Толщина дисков выбирается такой, чтобы не нарушались условия прочности и чтобы эти диски не имели заметных деформаций при воздействии «осевых» сил на систему дисков.

Рассматриваем процесс завинчивания.

На основании замеров экспериментально определено: F - усилие, «поджимающее» диски друг к другу; для величины момента сил трения М_* в исследуемых зонах (т.е. между рассматриваемыми дисками) экспериментально получено, что

M_*1≤М_*≤М_*2,

//необходимо напомнить, что значение коэффициента трения f_* известно и для каждой границы между дисками известны радиусы кольцевых зон, т.е. известны значения R₁ и R₂.//. На основании этого соотношения, для величины момента сил трения в резьбе при завинчивании Мзав получаем, что

f_*×F×R_сред1=М_1зав≤Мзав≤М_2зав=f_*×F×R_сред2.

(здесь R_сред - средний радиус кольцевого слоя; предполагается, что R_сред1<R_сред2).

Таким образом, учитывая результаты замеров, мы вычислили величины М_1зав и М_2зав. (см. выше).

Анализируя данные, приведенные в книге [7] (см. стр. 29, 23, 24), получаем соотношения для оценки величины коэффициента трения в резьбе:

f_пр≤tg{arctg[2×М_2зав/(F×d₂)]-ψ},

f_пp≥tg{arctg[2×М_1зав/(F×d₂)]-ψ},

(здесь ψ - угол подъема резьбы (радианы), d₂ - средний диаметр резьбы (см. выше основные обозначения)).

Таким образом, зная оценки для f_пр, можно получить оценки для величины f (коэффициент трения материала гайки по материалу болта), используя соотношение

f_пр=f/cos(γ),

для метрической резьбы γ=α/2=30° и f_пр=1,11×f (см. стр. 24 в [7]). Т.е.

f=f_пp×cos(γ).

При отвинчивании получим аналогичные соотношения в виде:

f_*×F×R_сред3=М_1отв≤М_отв≤М_2отв=f_*×F×R_сред4.

(здесь R_сред - средний радиус кольцевого слоя; предполагается, что R_сред3<R_сред4).

f_пр≤tg{arctg[2×M_2отв/(F×d₂)]+ψ},

f_пр≥tg{arctg[2×М_1отв/(F×d₂)]+\|/}.

Таким образом, зная оценки для f_пр, можно получить оценки для величины f (коэффициент трения материала гайки по материалу болта), используя соотношение

f_пр=f/cos(γ)

для метрической резьбы γ=α/2=30° и f_пр≈1,11×f (См. стр. 24 в [7]). Т.е.

f=f_пр×cos(γ).

Конечно, для создания кольцевых зон на дисках можно использовать разные материалы (т.е. с разным значением коэффициента трения). Но в простейшем случае можно сделать кольцевые зоны на дисках из одного и того же материала, но при этом эти кольцевые зоны имеют разный средний радиус.

(Напомним, что в приведенных выше соотношениях f_* - известное значение коэффициента трения материала кольцевого покрытия дисков (по материалу диска).)

Изобретение относится к машиностроению, к способам определения коэффициента трения в резьбе. Для создания нагрузки F, растягивающей стержень болта, и поддержания величины этой нагрузки примерно постоянной при вращении стержня болта собирается цепочка деталей. В эту цепочку деталей включена пружина растяжения, включены также тросик и вертлюги, позволяющие с малыми силами трения вращать стержень болта, включен также набор дисков, имеющих узкие кольцевые зоны разных геометрических размеров с покрытием, имеющим одинаковое значение коэффициента трения для всех дисков. Причем значение коэффициента трения между соседними дисками известно, эти диски насажены на трубочку, эти диски, когда они не поджаты друг к другу, могут свободно, т.е. с малыми силами трения, вращаться относительно своей оси симметрии, в этом наборе диски располагают так, чтобы момент сил трения между соседними дисками последовательно убывал. Эти диски поджимают друг к другу силой, равной силе растяжения стержня болта, причем около гайки стоит диск, который скреплен с гайкой. Если у крайней справа границы между дисками момент сил трения меньше, чем момент сил трения в резьбе, то при вращении резьбового стержня гайка будет неподвижна относительно резьбового стержня. При этом наблюдается скольжение дисков относительно друг друга. Осуществляют «стопорение» от взаимного поворота дисков на этой границе и опять прикладывают крутящий момент к резьбовому стержню. Если гайка опять остается неподвижной относительно резьбового стержня и наблюдается «проскальзывание» в зоне границы дисков, то эти диски «стопорят» и опять прикладывают вращающий момент к резьбовому стержню. И так до тех пор, пока гайка не начнет вращаться относительно резьбового стержня. Получив оценки величины момента сил трения в резьбе, на основании расчетов получают оценки величины коэффициента трения. Технический результат - обеспечение возможности проведения исследований по определению коэффициента трения в резьбе для объектов, не имеющих две опорные поверхности. 2 ил., 3 табл.

Способ экспериментального определения коэффициента трения в резьбе, заключающийся в том, что навинчивают на стержень болта гайку, замеряют усилие растяжения стержня болта, прикладывают к стержню болта крутящий момент, фиксируют значение крутящего момента, при котором происходит смещение подвижных деталей резьбового соединения относительно неподвижных частей, отличающийся тем, что собирают цепочку деталей, в цепочку деталей вставляют пружину растяжения, в цепочке деталей используют вертлюги, при испытаниях сначала стержень болта вращают в одну сторону, завинчивают гайку, потом стержень болта вращают в другую сторону, т.е. отвинчивают гайку, при этом в цепочку деталей включают набор дисков, имеющих узкие кольцевые зоны разных геометрических размеров, но с одинаковым значением коэффициента трения для всех кольцевых зон, причем значение коэффициента трения на разных границах между дисками имеет одинаковое значение, эти диски насажены на трубочку, эти диски, когда они не поджаты друг к другу, могут свободно, т.е. с малыми силами трения, вращаться относительно своей оси симметрии, причем в этом наборе диски располагают так, чтобы при вращении дисков момент сил трения между соседними дисками последовательно убывал, эти диски поджимают друг к другу силой, равной силе растяжения стержня болта, причем около гайки стоит диск, который скреплен с гайкой и имеющий при вращении наибольший момент сил трения, затем, идя к другому концу этого набора дисков, момент сил трения между дисками постепенно убывает, вращающий момент прикладывают к стержню болта, вначале гайка вращается вместе со стержнем болта, проскальзывание наблюдается между дисками, где наименьший момент сил трения, эти диски закрепляют от вращения, затем опять прикладывают к стержню крутящий момент завинчивания, затем опять закрепляют от вращения следующие диски, и так до тех пор, когда стержень болта начнет прокручиваться в гайке, затем все повторяется при отвинчивании, таким образом получают оценки момента сил трения при завинчивании М_зав и при отвинчивании М_отв, при этом коэффициент трения в резьбе f_пр вычисляют, используя формулы:

где F - сила, растягивающая стержень болта, равная силе, поджимающей диски друг к другу,

ψ - угол подъема резьбы (радиан),

f = f_пр × cos(γ), для метрической резьбы γ = α/2 = 30° и f_пр ≈ 1,11 × f,

R_сред - средний радиус кольцевой зоны,

f_* - известное значение коэффициента трения материала покрытия кольцевой зоны дисков,

при этом значения R_сред1 и R_сред3 - это максимальные из значений среднего радиуса кольцевой зоны, найденные, когда гайка была неподвижна относительно резьбового стержня, a R_сред2 и R_сред4 - это минимальное из значений среднего радиуса кольцевой зоны, найденное, когда гайка стала вращаться относительно резьбового стержня,

f - коэффициент трения материала гайки по материалу болта с учетом возможного наличия смазки или другого состава между ними,

d₂ - средний диаметр резьбы.