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基于动态检测的螺纹拧紧设备的研制 摘要 本文运用螺纹拧紧控制技术、行星齿轮传动技术以及动态检测技术等进行 了基于动态检测的螺纹拧紧设备的研制。在螺纹拧紧技术中主要分析了四种拧 紧控制方法：扭矩法、扭矩转角法、屈服点法和双扭矩法，双扭矩控制法是基 于动态检测的螺纹拧紧设备的扭矩控制方法。在行星齿轮传动技术中，介绍了 行星齿轮传动设计的理论基础，为此后的行星齿轮减速机构的设计打下了基础。 对分动器的主动齿轮轴总成进行了装配后性能分析，得出主齿轴承调整垫片的 厚度对主动齿轮总成的影响。 在动态检测技术中，动态检测系统包括两个部分，一个是拧紧系统，一个 是检测系统。拧紧系统为动态检测系统提供拧紧扭矩并产生拧紧扭矩值供工控 机分析判断，在拧紧系统中着重介绍了行星齿轮减速机构和拧紧装置的设计与 功能实现；检测系统为动态检测系统提供检测扭矩并产生预紧扭矩值供工控机 分析判断。本文对检测系统进行了结构剖析，然后又对弹簧销进行了设计和优 化，对扭矩传感器进行了工作原理分析，最后对动态检测的工作原理进行分析， 对实验结果进行说明。 关键词：螺纹拧紧控制方法、动态检测系统、螺纹拧紧系统、行星齿轮传动、 扭矩传感器 s t u d ya n dd e v e l o p m e n to ns c r e w - t i g h t e n i n ge q u i p m e n t b a s e do nd y n a m i ce x a m i n a t i o n a b s t r a e t t h i sp a p e ra p p l i e st h ec o n t r o l l e dt e c h n o l o g ya b o u ts c r e w t i g h t e n i n g ，t h e t r a n s m i t t e dt e c h n o l o g ya b o u tp l a n e tg e a ra n dd y n a m i ce x a m i n e dt e c h n o l o g yt ot h e s c r e w - t i g h t e n i n ge q u i p m e n tb a s e do nd y n a m i ce x a m i n a t i o n w ea n a l y z ef o u rk i n d s o fm e t h o d sa b o u tt i g h t e n i n gc o n t r o l ：t o r q u em e t h o d ，t o r q u ea n da n g l em e t h o d ，y i e l d p o i n tm e t h o da n dd o u b l et o r q u em e t h o di n t h ec o n t r o l l e dt e c h n o l o g ya b o u t s c r e w - t i g h t e n i n g t h ed o u b l et o r q u em e t h o da p p l i e s t ot h es c r e w - t i g h t e n i n g e q u i p m e n tb a s e do nd y n a m i ce x a m i n a t i o na b o u tt h i sp a p e r t h eb a s e dd e s i g nt h e o r y o fp l a n e tg e a rt r a n s m i s s i o ni si n t r o d u c e da n dh a saf o u n d a t i o nf o rt h ed e c e l e r a t e d m e c h a n i s mo fp l a n e tg e a ri nt h et r a n s m i t t e dt e c h n o l o g ya b o u tp l a n e tg e a r t h i s p a p e ra l s oa n a l y z e st h ep e r f o r m a n c ea f t e ra s s e m b l i n gt ot h ed r i v eg e a ra s s e m b l yo f a u t o sa u x i l i a r yt r a n s m i s s i o n 。a n da r r i v e sa tt h ei n f l u e n c eo ft h ea d j u s t e dt a p e r s t h i c k n e s st ot h ed r i v eg e a ra s s e m b l y t h e s y s t e m o f d y n a m i ce x a m i n a t i o n i n c l u d e st w o p a r tc o n t e n t s ，t h e t i g h t e n i n gs y s t e ma n dt h ee x a m i n e ds y s t e mi nt h ed y n a m i ce x a m i n e dt e c h n o l o g y t h et i g h t e n i n g s y s t e mp r o v i d e st i g h t e n i n gt o r q u ef o r t h es y s t e mo fd y n a m i c e x a m i n a t i o na n dt r a n s m i t st h et o r q u ev a l v et oi n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rt o a n a l y z ea n dj u d g e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n df u n c t i o no ft h ed e c e l e r a t e d m e c h a n i s mo fp l a n e t g e a ra n dt i g h t e n i n gm e c h a n i s m t h ee x a m i n e ds y s t e m p r o v i d e se x a m i n e dt o r q u ef o rt h es y s t e mo fd y n a m i ce x a m i n a t i o na n d t r a n s m i t st h e t o r q u ev a l v et o i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rt oa n a l y z ea n dj u d g e t h i sp a p e r a n a l y z e st h es t r u c t u r eo ft i g h t e n i n gs y s t e m ，d e s i g n sa n do p t i m i z e st h es p r i n gp i n ， a n a l y z e st o r q u es e n s o ri nt h ea s p e c to fw o r k i n gp r i n c i p l e ，a n da tl a s ta n a l y z e st h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fd y n a m i ce x a m i n a t i o nt oe x p l a i nt ot h ee x a m i n e dr e s u l t s k e y w o r d ：c o n t r o lm e t h o da b o u ts c r e w t i g h t e n i n g ，d y n a m i ce x a m i n e ds y s t e m ， s c r e w - t i g h t e n i n gs y s t e m ，p l a n e tg e a rt r a n s m i s s i o n ，t o r q u es e n s o r 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 插图清单 变速器装配生产线三维示意图2 气动扭矩扳手图3 定值扭矩扳手图3 螺纹拧紧设备图3 螺母支撑面尺寸图7 扭矩分散性与预紧力精度的关系l o 扭矩和转角的变化1 0 扭矩控制角度监视方法1 l 角度控制扭矩监视方法 1 2 屈服点控制方法1 3 双扭矩控制方法1 3 行星齿轮邻接条件1 5 行星齿轮传动的受力分析 1 7 主动齿轮轴总成结构图 1 9 主动齿轮轴总成的力流向图2 0 主动齿轮轴总成的封闭尺寸链图2 l 螺纹拧紧设备机械模块化结构2 2 拧紧轴模块结构2 4 止转模块2 5 电气控制系统组成框图 2 6 工控机测控系统组成框图屯7 光电隔离原理2 8 面板及接近开关输入的光电隔离电路屯9 工控机信号输出的光电隔离电路2 9 螺纹拧紧系统气动控制原理图3 2 交流伺服系统机械特性曲线3 4 行星齿轮减速机构图3 6 行星齿轮减速传动简图 3 6 扭矩传感器外形图4 1 拧紧装置 4 2 检测系统结构图4 3 上下位移机构4 4 主齿轴承座预紧力矩测量机构图4 5 弹簧销结构图4 5 弹簧销的主要尺寸“4 5 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 弹簧销受力分析图4 6 莫尔圆” 4 9 测扭矩的贴片方式4 9 套简式小量程扭矩传感器的结构图5 1 加载工作状态界面5 2 表格清单 表2 1各种拧紧控制方法的比较1 4 表5 1高变位圆柱齿轮传动的几何尺寸计算公式3 8 表5 2 高速级行星齿轮几何尺寸3 9 表5 3中间级行星齿轮几何尺寸4 0 表5 4 低速级行星齿轮几何尺寸4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意 学位做作者签名；王吉素l 签字日期：z 协7 年年月工日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金腿王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权 金壁王些盔堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 王杰 签字日期：叼7 年钥ze t 矛乙 导师签名： 签字醐：a 圹 加 工作单位：罗迸蕹电斯目t 3 ( 摊匆耆触目电话：圳一粥卯易删 通讯地址：上肖南纪工业司岔闭寸膳珈写邮编。2 口廖卯 致谢 我对刘志峰教授的感激之情溢于言表! 在我两年多的研究生学习过程中， 是您，在生活上给予我无微不至的关怀和照顾；是您，在学业上给予我悉心的 教导和帮助，为我付出了武术的心血和劳动，您辛勤的汗水浇灌了我这颗正在 成长的树。您无私奉献的精神将让我终生难忘，您严谨务实的工作态度将指导 我一生，您对我深切的期望将永远鼓励我奋发图强。 感谢江淮自动化装备有限公司的全体员工，他们在学习上给予我很大的帮 助，让我在业务水平上有很大提高。特别是感谢林巨广研究员，他为我提供了 这么优秀的提升自身知识的平台，他在日常的一言一行中做出了表率。非常感 谢马振飞老师，他带领我进入了设计的大门，进入了经验的殿堂，他对我的指 导我会铭记在心。 感谢任永强、何元祥、杨绍明、谢峰、王淑旺等各位老师给予我的帮助和 指导，感谢石爱文、孙梅、杨连华等各位工程师给予我的帮助和支持。 感谢师兄弟刘波、张天华、汪涌、王金龙、王英娇、郑彩霞、黄恭伟，盛 军、魏义等，在整个课题设计过程中给予我很多建议和帮助。 感谢我的父母，感谢我的爱人，感谢他们在我背后默默地支持和无畏的奉 献。 最后，感谢所有关心过我，帮助过我的人。 作者：王志礼 2 0 0 7 年3 月 i i 课题研究的背景 第一章绪论 世晃汽车工业已经有了1 0 0 多年的发展历史，作为一个产业，汽车工业依 次经历了四个发展阶段，即产品发明、产品发展、产出迅速扩大和以更新需求 为主的市场成熟阶段。从2 0 世纪9 0 年代开始，世界汽车工业已经步入以更新 需求为主的成熟市场阶段，但部分市场还处于产出迅速扩大的市场发展阶段， 中国汽车工业就是处于这一发展阶段m 。 随着时间推移，我国汽车工业的国内竞争已经开始向更趋激烈、残酷的国 际竞争演化，这使得对于入世后中国汽车工业如何参与国际竞争的讨论更加引 起人们的关注。截止2 0 0 4 年1 2 月3 1 日，我国多数行业的保护期已基本结束。 “后过渡期”的到来，不仅仅意味着关税和市场准入门槛的大幅降低，更重要 的是在全球经济一体化进程不断发展的今天和在愈演愈烈的席卷全球的兼并重 组浪潮面前，我国的汽车工业必须在产业政策、产品结构、企业重组等方面进 行重大调整和改革，以适应w t o 的游戏规则，否则中国的汽车工业就面临着被 世界经济大潮淘汰出局的危险。在我国加入w t o 的几年中，在大量商机涌入、 获得了巨大的发展空间的同时，也感受到经济全球化所带来的压力，面临着国 际市场激烈竞争的考验n ，。 i i 1 汽车装配生产线的发展状况 全球汽车工业的发展带动了汽车装配技术飞速发展，随着汽车需求的不断 扩大，传统的汽车零部件装配生产线和手工装配线已不适应汽车产量的要求， 高现代化、高自动化、高柔性化、高智能化装配生产线已成为汽车工业装配线 的主体构成。在国外，无人工厂、无人车间的出现与发展都成为工业现代化、 自动化的标志，一些发达国家及早地将注意力转向自动装配技术，并取得了卓 越的成果，一些产品、部件的装配过程逐渐摆脱了工人的操作，柔性装配系统 ( f a s ) 已成为c i m s 的一个重要环节”1 。美国库柏公司和韩国现代重工是国外 制造汽车装配生产线的代表性企业，其装配生产线自动化程度很高，而且生产 节拍和生产过程中的柔性考虑的比较全面，整体效果非常好。 但在国内汽车装备行业两极分化、总体落后。总体来说，合资轿车企业和 少数民营企业汽车装备整体上已经进入柔性化时代，达到2 0 世纪9 0 年代汽车 装备水平，但其总数只占汽车及零部件制造企业中的少数。大部分汽车零部件 制造企业仍然主要使用落后的生产装备，这就造成他们只能够生产低端汽车零 部件。目前我国专业制造汽车装配生产线的厂家或研究所有：南京斯凯汽车装 备有限责任公司、南京博众机械设备有限公司、大连智云机床辅机有限公司、 北京罗伯泰克自动化装备有限公司、中科院大连自动化所、安徽江淮自动化装 备有限公司( 合肥工业大学汽车装备研究所) 。图1 1 所示是汽车液压变速器装 配生产线三维示意图，目前这条装配生产线正处于研制阶段。虽然我国汽车装 备水平还处以比较低的阶段，与外国汽车装备还有很大差距，在中高级市场还 不能与国外企业展开竞争，但已显示出强劲的发展态势，在快速的提升自己的 技术力量，增加技术储备，准备向强者发出挑战。 1 1 2 螺纹拧紧技术在国内外的发展 螺纹拧紧技术是汽车装备技术中不可或缺的一部分，是从国外发展起来的， 比较有代表性的公司有：美国的英格索兰、德国d g d 公司、美国的库伯公司等。 为适应定扭矩加载的可控制拧紧场合需求，在8 0 年代末，国外的机电、汽车制 造行业已普遍采用可控制扭矩、可控转角和控制屈服点的拧紧工具。近年来， 伴随着电机调速的控制技术、扭矩控制等技术的迅速发展，国外的装配生产线 上的拧紧装配工具逐步从手工、气动( 图1 2 ) 或电动工具( 图1 3 ) 向低能耗、 低噪声、控制精确等可控制拧紧设备( 图1 4 ) 发展，通过微机控制的自动型 装配系统，实现对装配对象的扭矩或转角扭矩的精确控制。 同国外相比，在拧紧技术方面，我国的一些专业性自动化装备企业正在迅 速追赶国外企业，从最初的仿造品牌产品到创立自主品牌的产品，结合不同的 扭矩控制方法，设计出高、中、低不同档次的产品，满足不同需求的客户，可 以根据不同的工作使用情况，设计出不同用途的螺纹拧紧装备，基本满足了广 大客户的需求。特别是2 0 0 0 年以来，随我国汽车业的迅猛发展，为了提高整体 技术水平，增强国际竞争力，规模化、自动化的生产技术应用不断扩大，对装 配质量和生产率提出了更高的要求，因此对大量使用的螺纹拧紧效率，也提出 了越来越高的要求，这种要求也促进了拧紧技术研发的快速发展“】。目前我国 拧紧装备的拧紧技术主要有定扭矩控制，定扭矩控制角度监视以及定角度控制 扭矩监视等比较基础的或中级难度的应用。屈服点监控的方法至今在国内应用 的企业不多，一方面是因为屈服点控制难度较大；另一方面，国内的螺纹紧固 件的材质和性能还需进一步提高。 图1 2 气动扭矩扳手圈 图1 3 定值扭矩扳手图 图1 4 螺纹拧紧设备图 1 2 课题的来源及意义 本课题来源于安徽江淮自动化装备有限公司( 合肥工业大学汽车装备研究 所) 与合肥车桥有限公司合作的s r v 分动器装配生产线改造项目。本文主要针 对该项目中的主动齿轮轴总成的拧紧部分进行研究。 随着我国工业生产自动化进程加快，降低工人劳动强度，大力提高劳动生 产率已成为工业生产发展趋势。我国目前的工业生产装配过程都离不开螺母或 螺栓的拧紧与拆卸，风动和电动扳手大量装备到生产现场，有效地降低了工人 的劳动强度，提高了劳动生产率，对发展社会生产力起到了不可估量的作用。 但风动和电动扳手也有明显的缺点，由于在拧紧过程中这些工具是依靠大的冲 击力来拧紧螺纹装置，所以拧紧扭矩值误差范围比较大，另外风动或电动的定 值扭矩扳手不宜于在大扭矩状况下工作。专用螺纹拧紧设备的出现解决了以上 难题，在工业装配方面获得了非常广泛的应用。 主动齿轮轴总成的拧紧方法有基于静态检测和基于静态检测两种方式。基 于动态测量的螺纹拧紧设备的工作方式：螺纹拧紧设备按一定的扭矩范围拧紧 主动齿轮总成凸缘螺母，然后止转装置退回，主动齿轮轴总成整体转动，主齿 轴承座的肋条碰到力传感器触头，测出肋条对力传感器的压力值，检查该值是 否符合要求。若是压力小于规定的要求，则主轴拧紧头继续在额定扭矩范围内 加载，再次测出其压力值，看其是否能达到规定的压力范围，以此方法逐渐逼 近最终拧紧扭矩值。若主轴拧紧扭矩达到额定的最大扭矩时，测得压力还未达 到规定的测力范围，则可判定垫片厚度太大，若主轴扭矩到达额定的最小扭矩 时测得压力已超过规定的测力范围，则可判定垫片厚度太小，这样的产品都不 合格，需重新选垫。 主动齿轮轴总成静态检测的拧紧方法，需要增加人工操作，而且需要不断 的重复拧紧和测量预紧力矩，这样降低了装配效率，不能完全满足装配节拍的 需求。基于动态检测的螺纹拧紧减少了人工操作因素，自动化程度大幅度提高， 解决了静态检测所表现出来的劣势，提高了劳动生产率和降低了工人劳动强度。 1 3 课题研究的目标与内容 1 3 1 课题研究的目标 主动齿轮轴总成装配时要求用较大的扭矩拧紧主齿螺母，此扭矩产生了很 大的轴向力，该轴向力要克服因轴承内圈与轴的过盈配合而产生的摩擦力。轴 向力由两部分力构成，一部分力用于主齿轴承轴向加载，以保证其所需求的预 紧力；另一部分力则作用于轴承内圈、隔套及垫片组成的部件上，使两轴承内 圈之间的组件紧密贴合。当选择调整垫片基本合适时，主齿轴承所承受的轴向 力一般较小，锁紧螺母产生的大部分轴向力将作用于调整垫片上”1 6 j 。 课题研究的目标是在螺纹拧紧过程中实现螺母拧紧与主齿轴承座预紧力测 量同步进行，并根据规定的拧紧力矩和预紧力矩的范围值确定最终的测量结果， 并根据测量结果判断产品装配中调整垫片厚度的选择是否合适。 1 3 2 课题研究的主要内容 该课题首先对目前的螺纹拧紧控制方法进行力学分析和实验研究，建立实 用的扭矩、角度等多变量目标控制拧紧理论与技术方法；以该理论方法为基础， 对s r v 分动器主动齿轮轴总成的拧紧，进行了基于动态测量的螺纹拧紧设备的 研制。 本文的主要内容： 1 、螺纹拧紧控制技术 以理论上的力学分析和实验为研究手段，对国内外常用的扭矩法、扭矩转 角法和屈服极限法等控制方法进行研究，结合目前传感器和机电控制技术，研 究出简单、有效、准确的螺纹多目标( 主要目标量有扭矩、角度等) 控制理论 和技术方法，实现对生产实践的指导。 2 、主动齿轮轴总成的性能分析 主要分析主动齿轮轴总成主齿螺母被施加力矩后，其力作用的部分及力的 流向以及其尺寸链的封闭原理，然后根据尺寸链及力的封闭性，找出调整垫片 的厚度对主动齿轮轴总成拧紧力矩及预紧力矩检测的影响。 3 、螺纹拧紧设备的动态检测系统 动态检测系统是由拧紧系统和检测系统组合而成的。拧紧系统主要为主动 齿轮螺母提供拧紧动力，并实时显示其拧紧力矩值。检测系统主要测量拧紧系 统在拧紧过程中，主动齿轮轴总成的内外轴承对主齿轴承座所产生的预紧力矩 并实时显示出来。 动态检测是指在拧紧设备拧紧过程中同时进行轴承预紧力矩检测，并进行 适时跟踪，利用计算机控制系统控制反馈检测信号，使拧紧力矩和预紧力矩共 同达到相应的规定范围。只有具备了该技术，基于动态检测功能的螺纹拧紧设 备才能正确地按照合作双方技术要求运行。 2 1 螺纹连接 第二章螺纹连接及拧紧控制技术 螺纹连接是机械部件之间常用联接方式( 螺纹连接、焊接、铆接和粘胶联 接) 之一，具有精度高、装配方便、零件拆装便利等优点，因此螺纹连接成了 汽车制造技术中使用最广泛，而且标准化程度最高的机械零件。螺纹连接是汽 车装配生产中较经济的连接零部件的手段之一，直接影响到汽车的装配质量和 行驶的可靠性。由于螺纹连接的失效是汽车常见故障之一，失效的原因有螺纹 紧固件本身的质量问题，也有螺纹连接的拧紧控制质量问题，因此对汽车螺纹 紧固件的制造技术和拧紧技术提出了更高的要求。 2 1 1 螺纹紧固件 螺栓、螺柱、螺钉和螺母等是最常见的标准螺纹紧固件。螺栓、螺柱和螺 钉的机械性能可分为十个等级：3 6 、4 6 、4 8 、5 6 、5 8 、6 8 、8 8 、9 8 、1 0 9 、 1 2 9 ，衡量螺栓、螺柱及螺钉强度级别的综合性能指标是抗拉强度和屈服强度， 其机械性能等级数值越大，对应的抗拉强度和屈服强度越高，螺栓等的机械性 能越好；同样，螺母的机械性能也分为九个等级：0 4 、0 5 、4 、5 、6 、8 、9 、1 0 、 1 2 ，衡量螺母强度级别的综合性能指标是保证载荷，其机械性能等级数值越大， 保证载荷越大，螺母的机械性能越好m 。 2 1 2 螺纹摩擦计算” 螺纹紧固件在拧紧力矩r 作用下，紧固相互连接的工件，螺母的支撑面尺 寸如图2 1 所示，扭紧螺母所需力矩r 为螺纹摩擦力矩r l 和支撑面摩擦力矩死 之和，其计算螺母扭紧力矩的计算公式为： t = 正+ 五= k f d ( 2 - 1 ) 如三陪侧从咖争石i 协2 ) 式中f 一预紧力；k 一扭矩系数；以一螺纹中径； 2 一螺纹升角；p ，一螺纹当量摩擦角； d m = ( d w + d o ) 2 一螺母支撑面平均直径； 一螺母支撑面摩擦系数； 由于螺纹升角a 一般较小，范围在2 0 1 0 2 0 5 0 之间，所以可近似取扭矩 系数 足* 互ll i d d 2 一t a n “鲁t a n n + 寺zi ( 2 3 ) 扭矩系数k 可反映出扭紧螺母的力矩近似由三部分组成，第一部分由升角 产生，用于产生预紧力使螺栓杆伸长，约占 1 0 ，第二部分为螺纹副摩擦，约占4 0 ， 第三部分为支撑面摩擦，约占5 0 ，即在一 般情况下上述三部分的比例为1 ：4 ：5 ，由此 可见实际只有1 0 的螺纹紧固力作用在螺母 紧固上，其余的9 0 均消耗在螺母与座面及 螺纹副的摩擦方面。因此依靠控制螺母的扭 紧力矩控制螺栓的预紧力时，必须精确控制 螺纹紧固件与工件之间的摩擦系数。美、德、 日各国建议的扭矩系数k = 0 1 5 0 2 ，如 加润滑油可达0 1 2 。 2 1 3 摩擦系数对螺纹预紧力的影响随1 图2 1 螺母支撑面尺寸图 摩擦系数z 是通常意义上的物理概念，是摩擦力与其对应的正压力的比值。 从公式( 2 2 ) 可以看出，在螺纹联接中，因摩擦产生的扭矩分为螺纹副摩擦扭 矩及端面摩擦扭矩两部分，这两部分摩擦条件往往不尽相同，因而螺纹副摩擦 系数z 。与端面摩擦系数z 。并不相等。螺纹副摩擦系数大小仅与螺纹紧固件材 质、表面状态及润滑条件有关，而可测量的表面摩擦系数还与螺纹紧固件尺寸 精度有关。 螺纹尺寸及形状确定后，螺纹拧紧过程中的预紧力不仅与拧紧扭矩有关， 还与表面摩擦系数伽和z 。有关。螺纹精度越低，螺纹牙型面和螺纹端面就越 粗糙，表面摩擦系数z 。和z 。就越大，那么螺纹副摩擦和螺纹端面摩擦所产生 的摩擦扭矩也就越大，如螺纹的扭紧力矩保持不变，则产生的轴向预紧力就会 变小，不能满足预紧要求。另一方面，螺纹精度越高，螺纹牙型面和螺纹端面 就越精细，表面摩擦系数。和。就越小，那么螺纹副摩擦和螺纹端面摩擦所 产生的摩擦扭矩也就越小，如螺纹的扭紧力矩保持不变，则产生的轴向预紧力 就会变大。也就是说，在螺纹精度高的情况下，要保证产生一定的轴向预紧力， 所需的螺纹的扭紧力矩就比较小。 参数的分散性是指各个参数的误差容忍范围的大小。分散性可由分散系数 n 来表示 ”惫= 端 螺纹紧固件表面摩擦力矩占了整个拧紧扭矩的9 0 左右，因此当拧紧工具 的扭矩控制精度一定时，拧紧质量就与螺纹紧固件摩擦系数密切相关。当施加 扭矩拧紧时，螺纹紧固件摩擦系数分散性越大，拧紧质量就越差，螺纹预紧力 分散性就越大。也就是说，当表面摩擦系数过大时，螺纹的预紧力会太小( 拧 紧太松) ，当表面摩擦系数过小时，螺纹的预紧力会太大( 螺栓有拧至塑性变形 区甚至断裂的危险) 。 因此要保证拧紧质量除了控制拧紧扭矩外，必须同时控制螺纹紧固件表面 摩擦系数的分散程度，单方面盲目追求提高拧紧工具的扭矩控制精度是无法提 高拧紧质量的，也是一种浪费性的无用投资。 2 1 4 螺纹的防松9 1 按照工作原理螺纹连接常用以下几种类型的防松方法： 自由旋转型：防松装置能增加螺母旋转时的摩擦，或在螺母松脱转动一定 角度后仍能保持一定的预紧力，防松能力随螺纹连接副的预紧力增加而提高。 在较大的扭松力矩下，螺母仍可自由旋转而松开。比如弹簧垫圈、双螺母并帽、 扣紧螺母、六角法兰面螺栓型。 有效力矩型：依靠螺栓或螺母上的“有效力矩部分”产生的摩擦阻力和连 接的预紧防止松动。例如尼龙圈锁紧螺母、带尼龙嵌件的锁紧螺栓或螺钉。 机械锁固型：借助附加零件( 开口销、金属丝等) 使紧固件之间或紧固件 与被连接件之间不能有相对转动。例如螺杆带孔和开槽螺母配合开口销、普通 螺杆和螺母配开口销、头部带孔螺栓穿金属丝。 冲点铆接型：使螺纹连接副局部产生塑性变形而防止松脱，此方法不能任 意拆装。例如在螺纹末端小径处冲点、在螺母拧紧后螺栓杆末端外露处铆死。 粘接型：靠粘接剂固定内外螺纹的相对位置。 螺纹紧固件的连接通常仅通过螺纹之间的贴合来实现紧固及防松，这种联 接方式防松效果仍不够理想。为了增强螺纹件联接的防松效果，现代设计技术 通常要求螺纹紧固件上涂一层紧固胶。这种紧固胶能在胶和螺纹件之间产生一 个很大的“化学凝聚力”，这样尽管螺纹件间夹紧力不很大或螺纹件未被拧得很 紧，其联接仍具有很大防松性。 2 2 螺纹紧固件连接中预紧力的确定 2 2 1 螺纹紧固件的分类 螺纹紧固件联接可以使被连接零件保持在一起，并且能克服连接零件所产 生的外力。螺纹联接件所受的外力可分为四大类： 1 、纯拉应力，如缸盖螺栓； 2 、纯剪切力，如飞轮螺栓； 3 、拉应力和弯曲应力，如连杆螺栓； 4 、拉应力、弯曲应力和剪切应力，如车轮螺栓。 由于螺纹紧固件连接工件后受到上述四种类型外力中的一种力的作用，因 此螺纹紧固件在连接件运行前需要受到适当的预紧力作用，预紧力适当，则可 提高连接的可靠性和紧密性，还可提高联接件的疲劳强度。如果预紧力不足， 往往影响连接的紧密性、刚性和防松性能；而如果预紧力过大，在拧紧时或工 作时稍有过载，螺纹紧固件就会产生断裂。 2 2 2 预紧力的确定依据 螺纹连接拧紧时，在拧紧力矩的作用下，螺纹除预紧力q 。的拉伸产生拉应 力盯外，还受螺纹副的扭转摩擦力矩而产生扭剪应力f ，使螺栓处于拉伸和扭 转的复合应力作用状态中。 因此根据第四强度理论“”，螺栓预紧状态下当量应力c r v ； 0 - ，：石甭7 “1 3 0 ( 2 4 ) 拧紧时保证螺栓不屈服，则应使：盯，= 1 3 0 s e 取 s e 0 9 0 g ( 见g b t 3 0 9 8 1 - 2 0 0 0 ) 贝9 0 - o 9 0 - s 1 3 0 7 0 s ， 即预紧力系数 屯= 二* 0 7 ， 叮s 则预紧力： q p = ( 黾) 以 式中：一螺栓保证应力； 田一螺栓材料的屈服极限( 由螺栓性能等级确定) ； 彳s 一螺栓危险剖面的面积( 按螺栓小径d 1 计算，a 。* d 1 2 4 ) ； 如果取适当的预紧力系数( 黾“0 7 ) 来确定预紧力，既能充分发挥螺栓的 工作能力，又能保证联接的可靠性和螺纹紧固件的疲劳强度，故按照国标 g b t 3 0 9 8 卜2 0 0 0 的规定作为判断预紧力大小的依据，就可以避免连接不可靠， 避免实际拧紧时所产生的预紧力与设计计算中所求的预紧力不相符的矛盾。 2 3 螺纹紧固件的拧紧控制方法卜“盯 要保证螺纹紧固件连接能克服被连接件所受的各种静态或动态外力，则需 要螺纹紧固件对零件产生一个适当的预紧力。实现这个预紧力的拧紧控制方法 有很多，比如有简易的扳手拧紧的手工法( 感觉法) 、扭矩法、扭矩转角法、屈 服点控制法、测量螺栓伸长法和应变计法等。这里着重介绍扭矩法、扭矩转角 法、屈服点法以及本文应用的双扭矩法等拧紧控制方法。 2 3 1 扭矩法 扭矩拧紧法是目前螺纹件拧紧装配中被广泛应用的控制预紧力的拧紧方 法，一般情况下是用测扭矩扳手或定扭矩扳手来控制预紧力，误差较大，有 2 5 左右；如果用工控机及专用拧紧设备来控制预紧力，误差可达1 5 左右。 扭矩法就是在拧紧过程中，当达到规定的扭矩时螺纹拧紧过程即停止。通过螺 栓扭矩值控制被连接件的预紧力，这样预紧力更便于控制，操作简单、直观。 在拧紧螺纹时，如何精确控制螺纹预紧力成为了一个问题。我们知道螺纹 预紧力与拧紧扭矩和螺纹表面摩擦系数密切相关，要精确控制螺纹预紧力，这 就要求拧紧扭矩的误差范围小，各螺纹的表面摩擦系数变动范围小，也就是说 拧紧扭矩和螺纹表面摩擦系数的分散性要小。 用扭矩法拧紧螺纹时，如只考虑拧紧扭矩的分散性对拧紧预紧力精度的影 ，7 j p1 响，可由公式( 2 - i ) 得：f = l _ ，使f 对r 求导，可得出：等= = 毛。因 aa l五口 此拧紧扭矩分散性r 与拧紧预紧力精度a f 的关系，可由图2 2 表示出来。 另外，预紧力，还与润滑状况、拧紧速度、所用拧紧工具、以及反复拧紧 时的温度变化有关，因此扭矩控制法拧紧产生的预紧力变化范围比较大。 r o 吾 鲁 e 壤 辑 角度( a n g l e ) 口 图2 2 扭矩分散性与预紧力精度的关系 图2 3 扭矩和转角的变化 扭矩法拧紧是目前应用最广泛的一种控制方法。其优点是，拧紧工具价格 便宜，操作方便；缺点是拧紧质量( 轴向预紧力) 受螺纹件摩擦系数的影响大， 螺栓摩擦系数很低时，螺栓将被拧至其塑性变形区甚至拧断，扭矩曲线如图2 3 所示。为安全起见，扭矩法设计的预紧力只在螺栓屈服强度的5 0 _ 一7 0 。所 以扭矩法拧紧螺纹紧固件时，应严格控制其摩擦系数的一致性。 2 3 2 扭矩转角法 螺母或螺栓拧紧时的旋转角与螺栓伸长量( 主要是阳螺纹部分) 和被拧紧 件松动量的总和大致有比例关系，因而可采用按规定旋转角度来达到预定预紧 力的方法。在最初拧紧时先要确定贴紧扭矩( 即联接密合的扭矩) ，把螺栓一直 拧到贴紧扭矩，再转过一个预定的角度，使螺栓的拧紧扭矩达到预定值，这就 是扭矩转角法。贴合扭矩常取所需拧紧扭矩值的2 5 左右，可以作为开始计算 角度的起始点。尽管螺纹件摩擦系数对达到贴合扭矩的拧紧所产生的“阶段预 紧力”有影响，但影响很小，而且螺纹摩擦系数对转角拧紧所产生的预紧力无 影响，因为在弹性变形区内，螺栓弹性模量恒定，预紧力仅与螺栓伸长量有关， 而伸长量与转角度数成正比。如果螺纹件拧紧转动3 6 0 。，螺栓受力部分伸长 一个螺距。此时螺栓伸长量与预紧力有如下关系： q o = 等瓯 式中l 一螺栓全长，哪三一螺栓变形伸长量，m m e 一弹性模量，m p 。a 。一螺栓的平均截面积，m m 2 址= k 去p ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中p 一螺纹螺距，m m口一螺栓的回转角度，弧度 k 一螺纹螺距加工误差系数 由上述公式可见在弹性区域内工正比于螺栓的回转角度口，因此q 0 仅表 示变量0 角的函数式，只要准确地控制螺栓回转角度，便可准确控制预紧力。 扭矩转角法可分为两种，一种是扭矩控制、角度监视方法，一种是角度控 制、扭矩监视方法。 扭矩控制、角度监视方法，如图2 4 所示，在这种方法中，设定螺纹紧固 件拧紧的最终扭矩为目标扭矩，即图中的目标扭矩，在拧紧过程中，角度是从 螺纹紧固件拧紧到贴紧扭矩开始计算的，加载曲线上对应于目标扭矩的点要落 在由规定的扭矩上限、扭矩下限、角度上限和角度下限所围成的区域中，即图 2 4 中的阴影部分，加载曲线上对应于目标扭矩的点的横坐标值必须落在角度 上限和角度下限之问，螺纹紧固件的拧紧才是合格的。 图2 4 扭矩控制角度监视方法 角度控制、扭矩监视方法，如图2 5 所示。在这种方法中，设定螺纹紧固 件要拧紧的最终角度为目标角度，这个角度是从螺纹件被拧到贴紧扭矩开始计 算的，即图中的目标角度。在拧紧过程中，当拧到贴紧扭矩时，开始计算拧紧 角度，再转动螺纹紧固件达到规定角度。加载曲线上对应于目标角度的点要落 在由规定的扭矩上限、扭矩下限、角度上限和角度下限所围成的区域中，即图 2 5 中的阴影部分，加载曲线上对应于目标角度的点的纵坐标必须落在扭矩上 限和扭矩下限之间。 f 茎 嗣 角度( a i l 9 1 e ) 图2 5 角度控制扭矩监视方法 从图上可看出我们设定的目标扭矩、目标角度对应的加载曲线的点位于螺 纹件的弹性变形区域，由于螺栓弹性模量恒定，预紧力仅与螺栓伸长量有关， 而伸长量与转角度数成正比，因此消除了螺纹摩擦系数对转角拧紧所产生的预 紧力的影响。 扭矩转角法的优点是：a 拧紧质量稳定，螺纹件摩擦系数对拧紧质量的影 响小。b 螺栓可拧至塑性变形区而不致拧断，设计预紧力可取螺栓屈服强度的 8 0 。缺点是拧紧设备价格较昂贵，操作较不方便。 2 3 3 屈服点法 屈服点是指是指材料拉伸试验的应力一一应变曲线中弹性段结束之后出现 屈服现象的特定点的应力值，自此点开始材料进入塑性变形阶段，该点所对应 的应力值即为材料的屈服点。当拉伸至屈服时，应力超过弹性极限，即使应力 不再增加，而试样仍继续发生明显的塑性变形。 屈服点法利用扭矩一一转角增量比概念，将螺纹件拧紧至螺栓的屈服点， 如图2 6 所示。拧紧设备的信号处理电路，将输入的扭矩和转角进行微分计算 ( d 如) ，并绘制扭矩一一转角曲线，根据屈服点控制预紧力。屈服点控制法 的预紧力分散度比扭矩转角法还要小，它的拧紧质量只与螺栓屈服强度有关。 屈服点控制虽可产生准确的夹紧力，但是还需要通过大量的实验确定出螺栓屈 服点所在的扭矩范围和转动角度范围，依赖精确的扭矩测量和角度测量来计算 螺栓的屈服点。 屈服点法的优点是将螺栓拧至其屈服点，最大限度地发挥了螺纹件强度的 潜力，使其材料的利用率更高，基本可达1 0 0 。此外，由于拧到材料屈服极限 以后，提高了螺栓的疲劳强度。而螺栓的松动是与预紧力的大小、轴向交变、 振动负荷的大小有直接关系的，拧到屈服点以后，这些条件便有所改善，自然 提高了螺纹联接的防松性能。大量研究表明，螺栓拧紧时轴向预紧力越大( 拧 至屈服点) ，其抗松动和抗疲劳性能越好。虽然扭矩法也能达到屈服点以后的塑 性区域，但扭矩法有着螺栓的塑性伸长量不可控制的缺点。其缺点是用屈服点 法的拧紧设备价格非常昂贵。 f 薹 辑 2 3 4 双扭矩法 角度( a n g l e ) + 图2 6 屈服点控制方法 双扭矩法是本文研制的螺纹拧紧设备的拧紧控制方法，是根据客户要求以 及实际工作情况开发出来的一种新型的拧紧控制方法。 1 董 量 图2 7 双扭矩控制方法 双扭矩控制法从形式上看与扭矩转角法非常相似，是把扭矩转角法横坐标 的角度( h n g e ) 变换为扭矩( t o r q u e 2 ) ，纵坐标为扭矩( t o r q u e l ) ，然后进行 扭矩控制及扭矩监视，因此称之为双扭矩控制法。但双扭矩控制法与扭矩转角 法从根本上是不相同的，双扭矩控制法是由拧紧与检测动力两套系统分别独立 的运行，并相互之间传递实时数据，最终按照判定条件判定拧紧的状态，而扭 矩转角法是把拧紧系统和检测系统集成在单个系统中的拧紧控制方法。 双扭矩法的控制曲线如图2 7 所示，在这种方法中，设定螺纹紧固件拧紧 扭矩的最终扭矩为目标扭矩，即图中的目标扭矩，在拧紧过程中，加载曲线上 对应于目标扭矩的点要落在由规定的纵坐标的扭矩上限、扭矩下限和横坐标的 扭矩上限和扭矩下限所围成的区域中，即图2 7 中的阴影部分，加载曲线上对 应于目标扭矩的点的横坐标值必须落在扭矩上限和扭矩下限之间，螺纹紧固件 的拧紧才合格。 双扭矩法的优点：对于装配有轴承的产品有良好的实际应用效果，拧紧扭 矩与轴承座的预紧力矩有着相辅相成的关系，通过拧紧力矩和预紧力矩的动态 检测值，可以判断出轴承调整垫片选择的合格性；另一方面，双扭矩法对加工 误差及摩擦系数反映不敏感。其缺点是对于应用双扭矩控制法的拧紧设备造价 比较昂贵。 2 3 4 各种拧紧控制方法的比较 每种拧紧控制方法都有其工况和应用场合要求。用手工法来拧紧螺纹件， 预紧力的分散度最大，也就是拧紧精度最低，只能应用在拧紧要求非常低的场 合。使用扭矩法拧紧的预紧力虽然比手工法分散度小，但依然较大，只能在一 般的场合应用。而应用屈服点法的预紧力分散度最小，但设备太复杂，价格太 高。扭矩转角法预紧力分散度也较小，足以满足汽车行业螺纹紧固件的拧紧精 度，设备的复杂程度和价格都比屈服点法低很多，但不适于当前的拧紧工况。 双扭矩控制法相对于其他拧紧方法，专用性很强，仅适合于调节轴承间距的产 品，在基于动态检测的螺纹拧紧设备的研制中我们专门针对的产品就是s r v 分 动器的主动齿轮轴总成的螺母拧紧。上述几种拧紧控制方法的比较，如表2 1 所示。 表2 - 1 各种拧紧控制方法的比较 拧紧控制 作业方式 预紧力材料利对连接件精设备复 价格应用场合 方法分散度用率度要求杂情况 手工法控制扭矩 2 5 3 0 5 - 5 0 简单便宜要求低 要求较高 扭矩法控制扭矩 1 5 5 0 一7 0 一般 较贵 要求一般 扭矩转角控制扭矩和 1 0 8 0 一9 0 般较复杂贵 要求高 法转角 屈服点法找屈服点 3 5 约1 0 0