预紧力的控制监测和听证

1、Page 1 讲稿讲稿DRE很清楚很清楚, 高强度螺纹紧固件接头设计的关键是设计足够的（不过大，不过小）的高强度螺纹紧固件接头设计的关键是设计足够的（不过大，不过小）的夹持力（预载），并在安装中实现它。夹持力（预载），并在安装中实现它。题目：预紧力的控制，监測和听证题目：预紧力的控制，监測和听证Page 2第二章第七课第二章第七课: 预载的预载的控制控制和和监测监测扭矩/转角图, 扭矩/拉伸图。 几种预载控制控制方法。其优缺点比较扭矩检测扭矩检测:扭矩/转角 动态安装扭矩 残余扭矩预载检测预载检测:选择塑性区域预载控制方法时，要与设备制造商商量案例讨论案例讨论: NSE Cylinder M9

2、x1.25pc12.8 Bolt Page 3第二章第七课第二章第七课: 预载的控制和监测预载的控制和监测臂长臂长力力 扭矩扭矩预载预载 扭矩扭矩/预载关系预载关系 螺栓开始屈服螺栓开始屈服 接头零件预紧接头零件预紧我们在前面的第六课中第六课中学过，用扭矩控制法扭矩控制法来拧紧接头.会使预载力的分散度大。当作用在紧固件上的扭矩增加时，就会增加紧固件施加给接头的预载力。一般地，扭矩和预载有一个线性关系。如图所示，此关系在如下情况时不再是线性的： 在零件压紧之前的低夹持力情况 当紧固件屈服时的高夹持力情况(第六课第六课复习)Page 4“扭矩扭矩”和和”预载预载(夹持力夹持力)”的关系的关系输入输

3、入:扭矩扭矩spec.有效输出有效输出:预载预载(夹持力夹持力)Page 511%36%52%例例 1: M10 x1.5 , Flange hex head,Torq Spec: 25NMPage 6(NSE1.5) 例例 2: M9x1.25 , Flange Hex HeadNo.摩擦系数用于拉伸用于拉伸消耗在螺纹消耗在螺纹消耗在underheadKtF-TensionF-Tension%F-ThreadF-F-Thread%Thread%F-UnderheadF-Underhead%Bolt10.1071871910.02211606514.07%14.07%0.05629342635

4、.80%35.80%0.07882655950.13%50.13%0.157236Bolt20.0921184940.02211606516.00%16.00%0.04837952735.00%35.00%0.06774488549.01%49.01%0.13824Bolt30.0894766110.02211606516.39%16.39%0.04699204234.83%34.83%0.06580201848.77%48.77%0.13491Bolt40.10511050.02211606514.30%14.30%0.05520277335.70%35.70%0.0772993449.99

5、%49.99%0.154618Bolt50.086967130.02211606516.79%16.79%0.04567409334.67%34.67%0.06395651948.55%48.55%0.131747Bolt60.0894702520.02211606516.39%16.39%0.04698870234.83%34.83%0.06579734148.77%48.77%0.134902Bolt70.0879425880.02211606516.63%16.63%0.04618639134.73%34.73%0.06467388148.64%48.64%0.132976Bolt80.

6、0884759070.02211606516.55%16.55%0.04646648434.77%34.77%0.06506608948.68%48.68%0.133649Bolt90.089643920.02211606516.37%16.37%0.0470799134.84%34.84%0.06592505848.79%48.79%0.135121Bolt100.0954292950.02211606515.53%15.53%0.0501183235.19%35.19%0.07017968249.28%49.28%0.142414Page 7l Set-upl Total Sample Q

7、TY:141. M14X1.5 pc 8.8-6g3. Brake Disk4. Rear Bearing Plate2. Wheel Rim(NSE1.5) 例例 3: M14x1.5 , pc8.8 WBPage 801002003000100200300400500Angle (summary) in Total torque in Nml Torq to yield Data:T = 278 NmT= 490 NmT=kFdT torq at yieldF yield strength 80.5 kNl DV Test: Torque to angle Standard testTo

8、check Torque Spec set-up预载的扭矩控制法预载的扭矩控制法Page 9第二章第七课第二章第七课: 预载的预载的控制控制和和监测监测在一些应用中，预载力分散度大是可以接受的，而一些至关重要的接头接头应用中, 则需要更精确的预载控制。特别对于发动机的重要接头，一定要用一些精确的控制方法。为了了解预载控制和监测方法，你需要熟悉扭矩/转角图和扭矩/拉伸图。现在，让我们来学习扭矩/转角图（图1.-8.）和扭矩/拉伸图（图9.-13.）。Page 10下面的扭矩/转角图显示了扭矩和转角的关系。 拧紧转角转角 Tightening TorqueTorque RateUltimateTo

9、rqueThresholdTorqueYieldTorqueYield AngleRupture Angle拧紧转角转角装配时的旋转角度1. 扭矩扭矩/转角图转角图Page 112. Tightening AngleTightening TorqueTorque Rate最大扭矩扭矩ThresholdTorqueYieldTorqueYield AngleRupture Angle最大扭矩扭矩在断裂之前的扭矩峰值Page 12屈服转角转角弹性区域和紧固件开始屈服之间的转角3. Tightening AngleTightening TorqueTorque RateUltimateTorqueT

10、hresholdTorqueYieldTorque屈服转角转角Rupture AnglePage 13Tightening AngleTightening TorqueTorque RateUltimateTorqueThresholdTorqueYieldTorqueYield Angle断裂转角转角断裂转角转角弹性区域到断裂之间的转角4. Page 14Tightening AngleTightening Torque 扭矩扭矩率UltimateTorqueThresholdTorqueYieldTorqueYield AngleRupture Angle扭矩扭矩率拧紧扭矩除以拧紧角（输入

11、扭矩关于转角的变化率）。硬接头有更陡峭的斜率，而软接头则有更平坦的斜率。5. Page 15阈值扭矩扭矩开始发生线性变化时的扭矩。6. Tightening AngleTightening TorqueTorque RateUltimateTorque阈值扭矩扭矩YieldTorqueYield AngleRupture AnglePage 16最大扭矩扭矩断裂之前的峰值扭矩7. Tightening AngleTightening TorqueTorque Rate最大扭矩扭矩ThresholdTorqueYieldTorqueYield AngleRupture AnglePage 17屈

12、服扭矩扭矩从弹性区域到塑性区域转折时的扭矩8. Tightening AngleTightening TorqueTorque RateUltimateTorqueThresholdTorque屈服扭矩扭矩Yield AngleRupture AnglePage 18摩擦系数摩擦系数线线从坐标原点辐射出的直线表示扭矩和从坐标原点辐射出的直线表示扭矩和轴向拉伸在不同摩擦系数下的关系；轴向拉伸在不同摩擦系数下的关系；斜率越大表示接头具有越小摩擦系数。斜率越大表示接头具有越小摩擦系数。 （注：在扭矩/拉伸图中摩擦系数越小，则具有越大的斜率。在扭矩/转角图中，摩擦系数越高具有(越小)的斜率。）9. 扭

13、矩/拉伸图（图9.-13.)扭矩扭矩/拉伸图是由专门设备试验确定的拉伸图是由专门设备试验确定的YieldRegion 摩擦系数摩擦系数线线Torque AxialTension =0.20 =0.15 =0.10 Page 19屈服屈服区域区域分割弹性区域和塑性区分割弹性区域和塑性区域的线。域的线。（注：，螺纹摩擦系数越大，（注：，螺纹摩擦系数越大，螺栓屈服的轴向拉伸力越低螺栓屈服的轴向拉伸力越低, 因为扭转应力的增加。因为扭转应力的增加。Von Misses C.）10. 屈服区域屈服区域Lines of ConstantFrictionTorque AxialTension =0.20 =

14、0.15 =0.10 扭矩扭矩/拉伸图是由专门设备试验确定的拉伸图是由专门设备试验确定的Page 20Friction LinesK4 driveshaft bracket to engine m m 减小减小 Page 21扭矩扭矩作用在紧固件上的力矩。11. YieldRegion Lines of ConstantFriction扭矩扭矩AxialTension =0.20 =0.15 =0.10 Page 22轴向拉伸力拉伸力紧固件拉伸产生的力（预载）12. YieldRegion Lines of ConstantFrictionTorque 轴向拉伸力拉伸力=0.20 =0.15

15、=0.10 Page 23l四种基本的预载控制方法可以分为两类：1. 弹性区域拧紧控制弹性区域拧紧控制方法 a. 扭矩控制法 b. 转角控制法（屈服以下）2. 塑性区域拧紧控制塑性区域拧紧控制方法 a. 转角控制法（塑性区域） b. 梯度控制法弹性区域控制法用于紧固件的弹性区域内（不过屈服点），而塑性区域控制用于紧固件的塑性区域内（过屈服点）。塑性区域控制法限制了紧固件的重复使用性，然而，它的优点是:精度高重复性好预载控制预载控制方法方法我们想要足够的预载，但是我们想要足够的预载，但是,不能太小不能太小,又不能太大。这又不能太大。这”足够足够”就意味着要有一些就意味着要有一些控制方法。控制方法

16、。 Page 24顾名思义，扭矩控制依靠控制输入扭矩来获得目标预载。扭矩控制法是一个简单而且直观的方法。扭矩控制法是一个简单而且直观的方法。在汽车整机厂中它是最普通的预载控制在汽车整机厂中它是最普通的预载控制方法。方法。另一方面，使用输入扭矩来预估预载具有局限性。如右图所示，注意，由于摩擦的变化，无论多么无论多么精确的输入扭矩精确的输入扭矩都都会导致散布范围很大的预载。会导致散布范围很大的预载。Tightening Torque AxialTension LowFrictionFastenerHighFrictionFastenerYield RegionVariation inClamp F

17、orceDue to Variation in FasteningTorqueVariation in FasteningTorque扭矩扭矩控制：方法控制：方法1Page 25转角（屈服点以下）控制：方法转角（屈服点以下）控制：方法2转角控制需要测量转角来预估预载。(实际中，转角要在如图所示的开始扭矩达到之后才能测量。)转角控制法的主要好处就是它把摩擦对输出预载的影响降到最小。在所示线弹性范围内，转角控制法用控制转角来控制扭矩。局限性局限性：注意，短夹持长度的螺栓不适用转角控制法（低于屈服点），因为它的开始扭矩开始扭矩、屈服扭矩屈服扭矩和最大扭最大扭矩矩之间的转角太小转角太小。Angle-o

18、f-TurnThresholdTorqueAnglePage 26转角（塑性区）控制：方法转角（塑性区）控制：方法3塑性区域转角控制法使用角度控制来拧紧紧固件到塑性区以产生最大的螺栓拉伸力以产生最大的螺栓拉伸力(yield point)。这种方法重复性好，精度更好。这里所示的扭矩/拉伸图显示了扭矩变化范围的较大下, 预载变化范围的较小。NSE的M9x1.25即为一例.Tightening Torque AxialTension LowFrictionFastenerHighFrictionFastenerYield RegionVariation inClamp ForceDue to Var

19、iation in FrictionPage 27梯度控制法测量输入扭矩的变化率。当这个变化率减少到一定量时（一般为50%下降） ，紧固件开始屈服，拧紧枪关闭,拧紧过程结束。梯度控制法的重复性很好。然而，梯度控制法要求专门的设备来测量扭矩专门的设备来测量扭矩,转角,及加紧力来计算梯度和屈服点。屈服控制拧紧预紧力超声波测量是目前的屈服控制拧紧预紧力超声波测量是目前的通用的最佳技术通用的最佳技术.梯度控制（塑性区域）：方法控制（塑性区域）：方法4Page 28屈服控制夹紧法屈服控制夹紧法Page 29预载控制方法和预载分散度预载控制方法和预载分散度多种预载控制方法能力不同，它们的分散度及其减少分散

20、度的方法总结在下表中控制方法预载分布备注弹性区 扭矩控制25 50% 低成本为了减少分散度,应当1.减少摩擦2.减少摩擦变化度 3.减少摩擦扭矩变化度 转角控制（屈转角控制（屈服点下）服点下）15 25%为了减少分散度为了减少分散度,应当1.减少摩擦2.减少摩擦变化度 3.减少摩擦扭矩变化度 塑性区 转角控制（塑转角控制（塑性区）性区）梯度控制梯度控制10,or less为了减少分散度，要减少螺栓屈服为了减少分散度，要减少螺栓屈服点的分散度点的分散度Page 30预载预载塑性区域控制方法优点优点,缺点缺点优点优点：由于塑性区域控制方法的特点是控制精度高和重复性好，因此在接头设计中，这类方法可使

21、紧固件数量更少，紧固件体积更小。使紧固件数量更少，紧固件体积更小。缺点缺点：成本增加。另一方面，塑性区域控制方法： 限制紧固件的重复使用 对于大量的使用，要求专门的设备，包括：需要夹具确保精度，需要电子设备测量结果 要求紧固件具有足够的韧性（即，非脆性）所有这些因素都增加了装配成本。Page 31扭矩扭矩控制 和转角和转角控制监控监控对于监测过程控制来说，扭矩/转角监控是一个有力的措施。极限值是 经 供应商根据初始产品的测试设置的。超过这个限值，就说明变化确实发生了。在这种简单形式下，极限值分设为高扭矩、低扭矩、高转角和低转角。如右图所示。不同的监测拧紧过程区域，可以使用多扭矩和多转角的限值。

22、这对识别如螺纹拉脱，污染物，弱接头或弱紧固件等条件是非常有用的。Tightening AngleTightening Torque一些方法要使用监测扭矩变化率（即，给定转角下扭矩的变化）的设备。相似地，在拧紧过程中，梯度控制方法要持续监测扭矩变化率。Page 32供应商提供转角控制预载的方法:Page 33先前，我们学习了扭矩的定义。有不同类型的扭矩，为不同的用途，扭矩可通过不同的方法来测量。为了控制和监测预载，你需要理解动态扭矩动态扭矩和残余残余扭矩扭矩的区别。动态扭矩动态扭矩是指在拧紧过程中，持续扭转一个紧固件所需的扭矩。当检测预载控制时，测量出的是动态扭矩（也叫安装扭矩）。这种测量, 摩

23、擦和惯性的影响已经被克服了。只有在紧固件拧紧时，动态扭矩由电子设备获得。残余扭矩残余扭矩是指，在拧紧方向上，继续拧紧一个固定的紧固件所需要的扭矩。摩擦和惯性阻碍拧紧，是必须克服的。残余扭矩（即，众所周知的，听证扭矩或检查扭矩）要比动态扭矩具有更大的变化。动态动态(安装安装)扭矩扭矩和和(静态静态)残余扭矩残余扭矩Page 34Page 35咨询制造商咨询制造商当选择预载控制和/或监测方法时，你一定要咨询制造商。在整机厂中，不同部门和公司使用不同的控制和监测方法。第二章第七课第二章第七课 小结小结你学习完了第二章第二章第7课，预载控制方法。在这课中：1. 介绍给你了扭矩/转角图, 以及扭矩/拉伸

24、图。 2. 懂得了几种预载控制方法。 3. 学习了弹性区域（扭矩和转角(屈服点下)）和塑性区域（转角和梯度）预载控制方法，包括它们的对紧固 件选择的影响。4. 学习了扭矩/转角检测和动态扭矩和残余扭矩的区别5. 懂得了当选择预载控制和/或监测方法时，要与制造商商量。Page 36183号发动机缸盖螺栓扭矩设备显示 67.9、 63.7、 70.9 、67、68.7、66.1、63、63.9、67.3、69.3手工复测 59.7、61.7、51.2、60.7、62.2、61.6、57.8、66.6、60.7、68.5124号发动机缸盖螺栓扭矩设备显示 69.9、76.3、 70.0 、81.4、

25、68.28、79.90、65.50、78.30、73.90、78.10手工复测 55.6、73、63.4、78.1、58.6、58.5、58.3、81.9、74.7、60.7“大家好 今天NSE生产线装机缸盖螺栓拧紧力矩偏小，下面是两台工程发动机的扭矩情况，请大家分析下并给出下步方案。王公磊 上汽技术中心（南京）” 案例讨论案例讨论: NSE Cylinder M9x1.25pc12.9 Bolt Page 37Plant Torque Audit: 用于用于扭矩法来控制的扭矩法来控制的接头 检查扭矩扭矩短期松弛情况 vs. 动态安装动态安装扭矩扭矩 一般, no problem, if here was no 过大的短期松弛.短期松弛的来源: 差的螺纹结合差的螺纹结合2. 螺纹结合太短螺纹结合太短对于钢制紧固件的螺纹结合长度应该至少是0.8倍的紧固件名义直径。如果结合长度太小（太少的螺纹承受载荷），螺纹接触面积会比紧固件DRE期望的要小，并导致过多的松弛。对steel, casting iron, 如果螺纹结合长度大于1.25倍的名义直径，那么“永久变形小的可以被忽略”.对steel bolt/Aluminum threaded hole,螺纹结合长度大一般应按2.0倍的名义直径.Page 383. 软零件软零件对零件，可能是由于不合适的热处理或错误的材料导致，或油