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扣件博士- 螺紋與摩擦
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2021-09-13
問1：螺紋和摩擦之間存在什麼關係？
答：如圖1所示，公螺紋和母螺紋接觸面的承壓牙側、螺帽的承壓面與螺栓頭部的承壓面，都是磨擦會發生問題之處，甚至連鎖緊狀態下的被緊固物介面也是如此。每個面都各自存在兩個摩擦係數μ，一個是螺帽旋轉方向上的摩擦係數，另一個是垂直於前者的半徑方向摩擦係數。標上θ記號的是代表圓周方向的摩擦係數，標上r記號是代表半徑方向的摩擦係數。鎖緊螺紋時，鬆開螺紋時，或者發生鬆脫現象時，會造成問題的是圓周方向的摩擦係數。因此，以扭力扳手鎖緊螺紋時，會造成問題的就是圓周方向的摩擦係數。荷載開始在栓合件上作用時，與荷載反方向的摩擦力會在接觸面上作用。因此，必須透過荷載作用的方向來思考摩擦係數。荷載一旦超過了摩擦力(作用於接觸面的垂直力乘以摩擦係數)，就會發生滑動，在栓合件上產生各種問題。為了防止發生滑動，會使表面呈現凹凸狀，刻意提高摩擦係數。
問2：螺紋的摩擦係數小的話才好嗎？
答：以扭力扳手鎖緊螺紋時，摩擦係數越大，因為摩擦而消耗的多餘能量越大。為了抑制這種能量，摩擦係数小一點比較理想。但摩擦係數若太小，螺紋表面的摩擦抵抗力會變小，並接近「螺紋自然轉鬆」的狀態，必須要注意。「摩擦係數的變異」也很重要。若僅限定於鎖固作業，摩擦係數越小，用來獲得同等螺栓軸力的鎖固扭力也會變小，即使是些微的摩擦係數變異，軸力的變異也會變大。舉個例子，我們來比較看看摩擦係數平均值為0.2與0.1時的狀況。摩擦係數變化只有0.02時，前者平均值的螺栓軸力分散度為10%，與後者平均值的螺栓軸力分散度為20%。鎖緊螺紋時，理想的狀態是「摩擦係數的絕對值和分散度都很小」，但要達到這一點可以說相當難。另一方面，栓合件一旦處於使用狀態，為了不發生滑動，摩擦係數大一點比較理想。
問3：請告訴我螺紋係數的量測方式。
答：以下的說明僅限於用扭矩法來鎖緊的狀況。施加扭力鎖緊螺帽時，會造成問題的是螺紋表面與螺帽承壓面圓周方向的摩擦係數。圖2是一種將2個摩擦係數分開量測的裝置。以扭力扳手量測施加在螺帽上的鎖固扭力，透過裝在實驗裝置上的應變力量規和交叉量規，量測螺栓軸力和螺紋部位的扭力，計算出摩擦係數。假定兩個摩擦係數的值相同，只需要量測鎖固扭力和螺栓軸力就能計算摩擦係數。詳情請參考筆者的著作《螺紋的力學》。
問4：即使是相同的接觸面，摩擦係數也可能會變化嗎？
答：如果是為了檢查而鎖緊或拆解的栓合件，其接觸面在作業前後的狀態會有所變化，所以摩擦係數多少會有變化。此外，也可能隨著鎖固方式而有所變化。請試想以人力鎖緊巨大螺紋的狀況。有腕力的操作員以一定的速度慢慢轉動螺帽時，以及無腕力的操作員使盡全身的力氣一口氣鎖緊時，根據接觸面滑動速度的差異，摩擦係數的值有可能會變化。這個現象，是使用高速鎖固的衝擊式扳手，以及鎖固速度較慢的電動、油壓、氣動扳手時，會使摩擦係數出現差距的其中一個原因。
參考文獻：
1. Toshimichi Fukuoka, “Threaded Fasteners for Engineers and Design – Solid Mechanics and Numerical Analysis –”, pp.90-93, Corona Publishing Co., Ltd. (2015)
扣件博士
螺絲摩擦力
Dr. Fastener
screw thread and friction
