螺栓拧紧的基本技术

几个基本概念

A joint  连接

• 在工业领域大量采用

• 优于其它的连接方法

Torque definition 扭矩的定义

扭矩的物理定义

答案：简单来说就是拧紧过程作用力与作用距离的乘积。

Torque 扭矩=臂长 x 力

1m x 1kg = 1kgm =9.8 Nm

Minimum torque 最小扭矩

最小扭矩需求

• 部件之间的夹紧力必须大于其外部负载。

• 还需留有安全余量，考虑:

-振动

-摩擦力的变化

-材料的尺寸

-扭紧的精度

Maximum torque  最大扭矩

最大的螺栓允许扭矩

• 施加过大的扭矩势必加大螺栓的塑性变形

• 安全余量应考虑:

-扭紧方法的精度

-螺栓的质量

ISO5393 螺栓连接的硬度

• 硬连接

-α < 30°

• 中性连接

-30 < α < 720°

• 软连接

-α > 720°

螺栓的夹紧力和张力

Clamping force 夹紧力

Objective目的

Create a CLAMPING FORCE

创建一个夹紧力

Torsion 扭力

Tension 张力

Clamping force 夹紧力

张力与夹紧力：大小相等，方向相反！

生产中真正需要的是控制夹紧力－螺栓的张力

• 目前还没有可行的手段

• 控制影响夹紧力的其他参数

只能使用：

             控制安装 扭矩

Efforts Repartition 影响因素

应用于拧紧过程中的扭矩分配

螺纹摩擦系数

虽然摩擦力不符合需要，但它可以防止螺栓因震动引起的松动

螺栓张力、摩擦力和扭力

• 上紧力: F (10%)

• 摩擦力: µ (90%)

   摩擦力取决于:

   -表面条件（如光洁度）

   -部件的几何形状

   -润滑油

• 接合处弹性系数: K

• T（螺栓张力） = K µ F

例如，如果接合处的摩擦力系数从0.18(干燥）变到0.14(轻微涂油）。对于同样的安装扭矩，夹紧力会提高28% 。

结论：

如果其它工艺条件没有得到控制，那么仅仅控制扭矩是无用的。

认识到这点很重要！

这也就导致人们坚持不懈的去研究扭紧的策略……

螺栓拧紧策略基本原理介绍

拧紧过程分析－角度与扭矩的关系

• 套筒与紧固件结合 (寻帽).

• 快速拧紧.

• 弹性区域.

• 半弹性区域.

• 塑性区域.

螺栓拧紧策略－扭矩控制

• 扭矩控制

• 扭矩控制 + 角度监测

• 角度控制 + 扭矩监测

• 屈服点策略

• 电流 + 角度

• 摩擦力扭矩

• 连续扭矩

扭矩控制 – 拧紧过程分析

扭矩控制 – 螺栓张力的精度

扭矩控制策略的效果

• 方法简单，普通拧紧工具均可。

• 尽管扭矩的重复性和准确度可以控制的很好，但这种方法却不能检测出紧固件的任何问题（不能防错/纠错）

• 张力波动能够超过 ± 50%.

• 检查不出连接的缺陷 (螺栓长短，螺栓尺寸错误 …)

扭矩控制不能做到防错/纠错

应用－扭矩控制策略:

• 所有不涉及安全方面的拧紧：

-车体组件

-仪表盘

-汽车零部件

-黑白家电 (如洗衣机 …)

-其他

螺栓拧紧策略－扭矩控制＋角度监测

•  扭矩控制

•  扭矩控制 + 角度监测

•  角度控制 + 扭矩监测

•  屈服点策略

•  电流 + 角度

•  摩擦力扭矩

•  连续扭矩

扭矩控制 + 角度监测

合格的拧紧

不合格的拧紧

• 孔洞不能完全填满

• 螺栓尺寸太大

• 目标扭矩中止转动

• 低质量螺栓 (延伸)

• 螺栓尺寸小

• 螺纹磨损

• 安全角度中止转动

扭矩控制＋角度监测－－张力的精度

扭矩控制＋角度监测策略的效果:

• 重复精度和准确度与扭矩控制一样， 但可以容易地检查出紧固件摩擦系数的变化 （螺栓尺寸大，螺栓质量差等）

• 张力波动范围是  ± 50%.

扭矩控制和角度监测策略效果:

角度检测可以识别螺栓在扭紧过程中错误

应用：扭矩＋角度控制策略:

• 安全密切相关的安装无需特殊张力精度要求 或将来不太可能再拧紧的装配:

-车轮安装

-前后轮榖总成

-车身副车架连杆

-发动机装配

-变速箱装配

螺栓拧紧策略－角度控制＋扭矩监测

• 扭矩控制

• 扭矩控制 + 角度监测

• 角度控制 + 扭矩监测

• 屈服点策略

• 电流 + 角度

• 摩擦力扭矩

• 连续扭矩

角度＋扭矩的扭紧过程分析

合格的扭紧曲线

不合格曲线

• 螺栓滑丝

• 螺栓尺寸过大

角度＋扭矩 = 螺栓张力的精度

角度控制＋扭矩监测策略的效果:

• 和前述拧紧策略比较：有较好的张力的重复精度和准确度

• 也能检测出拧紧过程中的异常现象

• 根据不同的摩擦系数和装配弹性， 张力的精度在 ±15～ 25%之间

应用－角度拧紧＋扭矩监测:

• 安全密切相关的部件或发动机内的高可靠性部件:

-连杆和发动机主轴承

-飞轮

-发动机汽缸盖

-刹车盘卡钳

-转向器部件

螺栓拧紧策略－屈服点控制

•  扭矩控制

•  扭矩控制 + 角度监测

•  角度控制 + 扭矩监测

•  屈服点控制策略

• 电流 + 角度

•  摩擦力扭矩

•  连续扭矩

Maximum torque  最大扭矩

原理－监测扭矩变化率

屈服点策略的效果:

• 螺栓张力直接取决于机械特性。因此重复性和准确度都要优于角度和扭矩控制的拧紧策略，它同样也能探测出拧紧缺陷。

• 它可以在最大安全限度内发挥螺栓的最好性能，从而得到最好的装配效果。

应用－屈服点控制策略

• 安全紧密相关的部件或发动机内高可靠性要求的部件:

-制动器

-发动机汽缸盖

-液压泵

总结

• 扭矩控制

-易于实现，便于控制

-张力散布较大（50%），不能鉴别螺栓的异常状态。

• 扭矩控制 + 角度监测

-张力散布仍然较大（50%），但可以鉴别螺栓的异常状态。

• 角度控制 + 扭矩监测

-螺栓扭紧与摩擦力无关。

-螺栓张力散布较小（15％～25%），也可以鉴别螺栓的异常状态。

• 屈服点控制策略

-螺栓张力直接取决于机械特性。因此重复性和准确度都要优于角度和扭矩控制的拧紧策略，它同样也能探测出拧紧缺陷。

常用扭紧工具特性介绍

Impact tools 冲击扳手

通过冲击器输出旋转加冲击，具有较高的功率重量比

精度 : ±30~±50%

主要优势.

较宽的扭矩范围 (10 to 5000Nm)

较低的反作用力

高功率重量比

Impulse tools  液压脉冲气扳机

由高压油脉冲冲击扳轴产生旋转加冲击的效果

精度 : ±10 ~ ±15%

主要优势.

较宽的扭矩范围 (3.2 to 450Nm)

无反作用力

高的功率重量比

扭矩可调

Shut-off nutrunners 离合器工具

通过机械离合器调节输出扭矩

精度: ±7 to ±10%

主要优势.

多用途的工具

易于维护

精度高

Current control 电流型电动扭紧系统

利用电流来控制扭矩的工具

精度 : ±5 % to ±7%

主要优势.

多扭紧策略

输出结果

环保

Torque control 传感器型电动扭紧系统

利用内置传感器来控制扭矩的工具

精度 : ±3% to ±5%

主要优势.

保证扭矩质量

真实的扭矩显示

多扭紧策略

环保

工具选择

lBasis on tightening technics

lTool technologies

lHow to select the right tool 任何选择扭紧工具

Classification of assembly system螺栓连接的分级

Desoutter tools positionning 工具的定位

拧紧策略

• 扭矩控制

• 扭矩控制 + 角度监测

• 角度控制 + 扭矩监测

• 屈服点策略

• 电流 + 角度

• 摩擦力扭矩

• 连续扭矩

特点:

• 施加扭矩和为获得该扭矩而流经电机的电流有直接的关系

• 经过标定，消耗电流可以取代扭矩传感器

• 无需扭矩传感器

• 扭矩精度比带扭矩传感器的工具稍低

电流和角度策略的应用

• 无特别扭矩精度要求的装配:

-机加工零件时拧紧和拧松工件夹具

-接油盘

-雨刷鼓轮套管组装

-车轮组装

扭矩电流关系举例

拧紧策略

• 扭矩控制

• 扭矩控制 + 角度监测

• 角度控制 + 扭矩监测

• 屈服点策略

• 电流 + 角度

• 摩擦力扭矩

• 连续扭矩

曲线  扭矩 / 时间

特性:

• 平均扭矩的测量可以是:

     -加到 ...

     -减掉 ...

     -不操作 ...

       下一阶段的扭矩读数

• 最小最大值也被记录下来

举例 : 曲柄轴转动

应用举例:

检查扭矩作用力给曲轴、凸轮轴或变速箱产生的摩擦力补偿尼龙或摩擦力扭矩的防松螺母的摩擦力作用

发现倒转的摩擦力扭矩放松螺母

发现划伤的螺纹.

练习 探测怀损螺纹

• 摩擦力扭矩

练习 探测破碎的螺母

• 摩擦力扭矩

拧紧策略

• 扭矩控制

• 扭矩控制 + 角度监测

• 角度控制 + 扭矩监测

• 屈服点策略

• 电流 + 角度

• 摩擦力扭矩

• 失速扭矩

失速扭矩

用途:

• 校准

• 对由接合松弛效应引起的扭矩降低给以瞬时补偿

拧松策略

• 扭矩控制

• 扭矩控制角度监视

• 角度控制扭矩监视

拧松扭矩:

拧松：扭矩控制角度监测

拧松 角度控制扭矩监测

练习

• 拧紧

• 如果结果不合格就拧松

练习

• 拧紧

• 如果结果不合格就拧松然后再拧紧

练习

• 拧松

• 如果结果不合格就拧松然后再拧紧

• 如果还是不合格就拧松然后停止

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