The influence of the friction coefficient on the clamping force of a bolted joint

• Autorzy: Balawender Katarzyna

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2025.9

Warianty tytułu

PL

Wpływ współczynnika tarcia na siłę zacisku połączenia śrubowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Clamping force is the most important factor influencing the reliability and durability of a bolt connection. Therefore, it is important to form the correct clamping force when tightening the bolt joint. In connection with the above, the article reviews the literature in the aspect of factors influencing the tribological properties of fasteners. The research part focuses on, not discussed by the other authors, determining the influence of the material of counterpart on the value of the clamping force of the bolted joint, formed in the joint during tightening. Due to the requirements of the automotive industry, where manufacturers expect universal fasteners that can be used with both steel and aluminum counterparts, both of these counterparts' materials were selected for research. The influence of top coats on the value of the clamping force of the bolt joint during tightening was also studied. Using a top coat on fasteners reduces the coefficient of friction during tightening by more than 30%. If a top coat is not applied to electrolytically galvanized fasteners, the friction coefficient increases three times compared to the friction coefficient obtained with top-coated bolts. In this case, the clamping force of the bolted joint is reduced by more than 60% when tightening the bolts.

PL

Siła zacisku jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na niezawodność i trwałość połączenia śrubowego. Niezwykle istotnym jest wytworzenie prawidłowej siły zacisku podczas dokręcania złącza śrubowego. W związku z powyższym w artykule dokonano przeglądu literatury w aspekcie czynników wpływających na właściwości tribologiczne elementów złącznych. W części badawczej przedstawiono, nieporuszany przez innych autorów, wpływ rodzaju materiału podłoża, w które wkręcana jest śruba na wartość siły zacisku złącza śrubowego powstającej w złączu podczas dokręcania. Ze względu na wymagania branży motoryzacyjnej, w której producenci oczekują uniwersalnych wyrobów śrubowych, które mogą zostać zastosowane zarówno w podłożu stalowym jak i aluminiowym, oba te materiały podłoża zostały wybrane do badań eksperymentalnych. Opracowano również wpływ powłoki nawierzchniowej na wartość siły zacisku złącza śrubowego podczas dokręcania. Zastosowanie powłoki nawierzchniowej na elementach złącznych zmniejsza współczynnik tarcia podczas dokręcania o ponad 30%. Jeżeli nie zastosuje się powłoki nawierzchniowej na elementach złącznych ocynkowanych elektrolitycznie, współczynnik tarcia wzrasta trzykrotnie w porównaniu do współczynnika tarcia otrzymanego dla śrub pokrytych powłoką nawierzchniową. W takim przypadku siła zacisku połączenia śrubowego zmniejsza się o ponad 60% podczas dokręcania śrub.

Słowa kluczowe

EN

coefficient of friction; clamping force; bolted joint

PL

współczynnik tarcia; siła zacisku; połączenie śrubowe

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Advances in Mechanical and Materials Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 42, nr 1
• Strony: 101--111
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Balawender Katarzyna

• Doctoral School of the Rzeszów University of Technology
• Koelner Rawlplug IP Sp. z o.o.

Bibliografia

• 1. Croccolo, D., De Agostinis, M., Fini, S., & Olmi, G. (2017). Tribological properties of bolts depending on different screw coatings and lubrications: An experimental study. Tribology International, 107, 199-205. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.11.028
• 2. Croccolo, D., De Agostinis, M., Fini, S., Mele, M., Olmi, G., Scapecchi, C., & Tariq, M.H.B. (2023). Failure of threaded connections: A literature review. Machines, 11(2), Article 212. https://doi.org/10.3390/machines11020212
• 3. De Agostinis, M., Fini, S., & Olmi, G. (2015). The influence of lubrication on the frictional characteristics of threaded joints for planetary gearboxes. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 230(15), 2553-2563. https://doi.org/10.1177/0954406215605863
• 4. Eccles, W., Sherrington, I., & Arnell, R.D. (2010). Frictional changes during repeated tightening of zinc plated threaded fasteners. Tribology International, 43(4), 700-707. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2009.10.010
• 5. Esmaeili, F., Zehsaz, M., & Chakherloum T. N. (2014). Investigation the effect of tightening torque on the fatigue strength of double lap simple bolted and hybrid (bolted–bonded) joints using volumetric method. Materials and Design, 63, 349-359. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.06.021
• 6. European Committee for Standardization. (2017). Steel rod, bars and wire for cold heading and cold extrusion – Part 4: Technical delivery conditions for steels for quenching and tempering (EN Standard No. 10263-4:2017).
• 7. International Organization for Standardization. (2005). Fasteners - Torque/clamp force testing (ISO Standard No. 16047:2005). https://www.iso.org/standard/27788.html
• 8. International Organization for Standardization. (2013). Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel. Part 1: Bolts, screws and studs with specified property classes — Coarse thread and fine pitch thread (ISO Standard No. 898-1:2013). https://www.iso.org/standard/60610.html
• 9. Jiang, Y., Zhang, M., Park, T., & Lee, C. (2002). An experimental investigation on frictional properties of bolted joints. In Pressure Vessels and Piping Conference (pp. 59–66). American Society of Mechanical Engineers. https://doi.org/10.1115/PVP2002-1083
• 10. Liu, Z., Zheng, M., Yan, X. Zhao, Y., Cheng, Q., & Yang, C. (2020). Changing behavior of friction coefficient for high strength bolts during repeated tightening. Tribology International, 151, Article 106486. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106486
• 11. Ma, J. (2020). An experimental study on factors affecting the friction coefficients in electroplated bolts. Tribology Transactions, 63(5), 913-923. https://doi.org/10.1080/10402004.2020.1778146
• 12. Mokhtar, M. O. A. (1982). The effect of hardness on the frictional behaviour of metals. Wear, 78(3), 297-304. https://doi.org/10.1016/0043-1648(82)90240-X
• 13. Nassar, S. A., & Sun, T. S. (2007). Surface roughness effect on the torque-tension relationship in threaded fasteners. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 221(2), 95-103. https://doi.org/10.1243/13506501JET192
• 14. Nassar, S. A. Ganeshmurthy, S., Ranganathan, R. M., & Barber, G. C. (2007). Effect of tightening speed on the torque-tension and wear pattern in bolted connections. Journal of Pressure Vessel Technology, 129(3), 426-440. https://doi.org/10.1115/1.2749290
• 15. VW Group Standard. (2018). Determination of coefficients of friction, steel mechanical fasteners with metric ISO threads (VW Standard No. 01131:2018).
• 16. Zou, Q., Sun, T. S., Nassar, S. A., Barber, G. C., & Gumul, A. K. (2007). Effect of lubrication on friction and torque-tension relationship in threaded fasteners. Tribology Transactions, 50(1), 127-136. https://doi.org/10.1080/10402000601105490

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2026).