CN103442853B - 利用手持动力工具紧固螺纹接头的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过手持扭矩传递动力工具将螺纹接头紧固至预定的目标扭矩水平（T_T）的方法，其中紧固扭矩在紧固阶段（E）期间经由舒适扭矩水平（T_S）施加在螺纹接头上，表明在紧固阶段（E）期间的扭矩增长特性（Δt₁），在达到所述目标扭矩水平（T_T）时中断在螺纹接头上的扭矩施加，以防止螺纹接头的进一步旋转，在达到目标扭矩水平（T_T）之后以下降速率经由下降斜坡（F）恢复扭矩施加，其中恢复的扭矩施加以响应所表明的扭矩增长特性（Δt₁）的速率下降，以获得动力工具中的在经济上最有利的扭矩反作用特性。

Description

利用手持动力工具紧固螺纹接头的方法

技术领域

本发明涉及一种通过手持动力工具将螺纹接头（screw joint）紧固至预定的目标扭矩水平的方法，其中通过在达到目标扭矩水平以后以下降速率（declining rate）在螺纹接头上的连续的扭矩施加来实质上降低操作者的身体劳损。更具体而言，本发明涉及一种方法，用于使扭矩施加的下降速率适于操作者抵消在动力工具中产生的反作用扭矩的能力，而不会引起不舒适的高肌肉劳损。

背景技术

螺纹接头紧固方法包括在美国专利5,216,795中描述的这些特征。

上述专利中描述的用于螺纹接头紧固的方法解决了当在达到目标扭矩水平的时候而动力突然切断时，操作者通过肌力对在动力工具中的反作用扭矩的正常地突然消失进行反应的能力中的固有问题。在非常短的紧固过程中（即，在扭矩建立的开始到动力切断的较短时间间隔之间），操作者建立抵消肌力（countering muscle force）的能力必然会延迟，并且由于处理时间非常短，建立的肌力没有时间在紧固完全结束前达到最大。在这种情况下，施加于操作者的劳损（strain）仅是轻微的。在慢一些的紧固过程中，其中在螺纹接头中扭矩建立的开始和目标扭矩切断之间的时间间隔变长，操作者能够建立完全的抵消肌力，并且当在达到目标扭矩水平的时候而动力突然切断时，反作用扭矩的突然消失太过突然，以至于于操作者不能放松肌肉，这导致了在操作者手臂上不舒适和使人疲劳的反射（jerk）。

为了避免在如以上提到的专利中描述的紧固过程结束时的非常不舒适的反射，建议在达到目标扭矩水平并且中断螺纹接头的旋转运动后，继续以连续地下降速率的在螺纹接头上的扭矩施加，以便持续减小待由操作者抵消的反作用扭矩，并因此使得操作者可以通过更舒适的方式来抵消反作用扭矩。然而，所描述的方法建议将扭矩的下降设定为适于具有某种扭矩增长特性的某种螺纹接头和适于具有某种操作特性的动力工具的某个有利地速率。

在以上描述的和之前已知的方法中固有的问题是，在达到目标扭矩水平后扭矩下降速率必须设定为使反作用扭矩特性适于实际螺纹接头的扭矩速率以及适于在紧固期间使用的那个动力工具的操作特性的某个值。还需要使扭矩下降速率适于操作者处理在动力工具中产生的反作用扭矩的能力。当在具有不同扭矩速率的螺纹接头上使用动力工具时，扭矩下降速率必须单独地设定为对应于实际紧固的螺纹接头的扭矩速率以及对应于操作者在舒适的反作用扭矩处理上的要求。由于每个新设定的扭矩下降速率必须在实际的螺纹接头上进行测试以检查是否可满足操作者，因此这是费时的操作。

从人类工程学的角度来看，必要的是在达到目标扭矩水平后使得用于减少施加的扭矩的扭矩下降速率或者时间间隔与在舒适水平与目标扭矩水平之间的紧固过程的实际的扭矩增长或者持续时间成比例。如果后目标扭矩下降（post target torque declination）的持续时间与紧固扭矩持续时间相比非常短，则根本没有人类工程学效果，并且操作者将仍然体验施加的扭矩的突然中断以及在动力工具中令人烦躁的反射。当紧固非常坚硬的螺纹接头时，则在舒适水平与目标扭矩水平之间具有持续时间非常短的紧固间隔，这意味着将根本不需要后目标扭矩下降斜坡（ramp）。原因是在紧固期间产生在动力工具中的反作用扭矩的非常短的持续时间将被动力工具自身的惯性吸收，并且操作者将根本不接触任何反作用扭矩。并且，操作者的肌肉反应太慢，以至于不能对反作用扭矩中如此快速的变化进行反应。

如果在达到目标扭矩之后扭矩下降的持续时间相对于紧固间隔的持续时间来说太长，则在动力切断时动力工具中将不存在不舒适的反射，这是因为操作者将有大量时间来使他的肌肉对抗力适于下降的反作用扭矩。相反，整个紧固过程不需要延长，并且将经历的紧固过程是缓慢的和耗时的并且对操作者产生精神压力因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的螺纹接头紧固方法，其中，当具有已知操作特性的动力工具施加在具有不同扭矩速率（torque rate）的螺纹接头上时，在达到目标扭矩水平后施加在螺纹接头上的扭矩的下降速率适于在达到目标扭矩水平前在实际的紧固过程中表明的个体螺纹接头的扭矩增长特性，以便获得对操作者具有较低肌肉损伤水平的舒适的反作用扭矩特性。

本发明的进一步目的是提供一种改进的螺纹接头紧固方法，其中，当具有已知操作特性的动力工具施加在具有不同扭矩增长特性的螺纹接头上时，在达到目标扭矩水平后施加在螺纹接头上的扭矩的下降速率适于在实际的紧固过程中对应于扭矩舒适水平的点与对应于目标扭矩水平的点之间经过的所表明的时间，由此获得对操作者具有较低肌肉损伤水平的舒适的反作用扭矩特性。

本发明的进一步目的和优点将从下面的说明书以及权利要求书中体现出来。

附图说明

下面将参考所附附图进一步具体描述本发明的优选实施方案。

在附图中

图1显示了说明在对不同扭矩增长特性的螺纹接头的螺纹接头紧固操作期间的扭矩–时间关系的图表。

图2显示了说明根据本发明执行的紧固过程的图表。

具体实施方式

图1中的三个图表以简化的方式显示了通过使用同一个手持扭矩传递动力工具（即，具有如速度、动力输出等已知操作特性的动力工具）在三个不同的螺纹接头A、B和C中的相对于时间的设置的扭矩。三个螺纹接头A、B和C具有不同的扭矩增长特性，在螺纹接头A中具有最陡的扭矩增长，在螺纹接头B中具有中等的扭矩增长特性，并且在螺纹接头C中具有相对缓慢的扭矩建立。因此，螺纹接头A为最坚硬的螺纹接头而C为最软的。每个曲线图分别包括从未示出的舒适水平（在该处各自的螺纹接头被安放）开始延伸直到预定目标扭矩水平T_T的基本上线性的扭矩建立阶段E_A、E_B和E_C。当达到目标扭矩水平T_T时，动力工具的电源被切断以停止螺纹接头的旋转并防止螺纹接头中扭矩的进一步增加。

为了避免在动力工具中的反作用扭矩非常突然的中断以及为了缓解对在操作者部分上令人疲劳的肌肉抵抗作用的需要，在达到目标扭矩水平T_T后动力工具的电源在点T_R处恢复非常短的未示出的时间间隔。如通过图1中的曲线所示出的，恢复的扭矩F_A-C以下降速率从起始扭矩水平T_R开始施加，并且依据螺纹接头的不同扭矩增长，在三个螺纹接头A-C中恢复的扭矩施加F_A-C的下降速率在不同的时间间隔上延伸。扭矩水平T_R（下降的恢复扭矩从该扭矩水平T_R开始）实质上低于目标扭矩水平T_T，以确保螺纹接头不发生进一步运动。如在图表中所示的，螺纹接头A是坚硬的螺纹接头，这意味着在相对短的时间间隔Δt_1A内达到目标扭矩水平T_T，反之，在螺纹接头B处紧固扭矩建立在较长的时间间隔Δt_1B内发生，并且在螺纹接头C处，扭矩建立在更长一些的时间间隔内Δt_1C实现。

对于恢复的扭矩施加的斜坡的反作用扭矩缓解效果来说重要的是时间间隔Δt_2A-C（在该时间间隔内恢复的扭矩作用）与扭矩建立时间Δt_1A-C有一定的关系。扭矩增长或扭矩建立时间Δt_1A-C既取决于实际的螺纹接头的刚度，也取决于扭矩施加的速度（即动力工具的旋转速度）。然而，当使用同一个动力工具以紧固多个螺纹接头时，螺纹接头的个体刚度将确定扭矩建立时间Δt_1A-C，以及因此将确定待使用的扭矩下降速率。使用的扭矩下降速率应当对应于一定的时间间隔Δt_2A-C，该时间间隔Δt_2A-C与用于螺纹接头紧固阶段E的时间间隔Δt_1A-C有关。

如通过图1中的曲线所显示的，用于在螺纹接头A上施加下降的后紧固扭矩F_A的时间间隔Δt_2A如同用于该螺纹接头的紧固阶段E_A直到目标扭矩水平T_T的时间间隔Δt_1A一样短。用于在螺纹接头B上的后紧固扭矩施加F_B的时间间隔Δt_2B与用于螺纹接头B的紧固阶段E_B的时间间隔Δt_1B有关。因此，用于在螺纹接头C上的后紧固扭矩施加阶段F_C的时间间隔Δt_2C相对较长并且与用于螺纹接头C的紧固阶段E_C的时间间隔Δt_1C有关。所以，螺纹接头的紧固阶段E_A-C越长，恢复的下降扭矩施加F_A-C就越久。

在图2中，稍加具体地显示了对于螺纹接头的扭矩施加曲线，其中紧固过程以来自于螺纹接头的较低量值（low magnitude）的扭矩响应D开始，直到达到舒适水平T_S。螺纹接头的实际紧固或预拉紧阶段E从舒适水平T_S开始，并且线性地发生直到想要的目标扭矩水平T_T。该紧固阶段E具有持续时间Δt₁。在目标扭矩水平T_T处，动力工具的电源被切断以停止螺纹接头的旋转。实际上，就在达到目标扭矩水平T_T之前切断动力，从而避免不希望有的惯性相关的扭矩过冲。但是，这并没有在简化的图2中显示。

在非常短的时间间隔（未在图2中示出）之后，以下降速率恢复在螺纹接头上的扭矩施加以形成软停止斜坡（soft stop ramp）。在螺纹接头上继续的扭矩施加在恰好在目标扭矩水平T_T下面的水平T_R处开始，以确保螺纹接头不发生进一步的旋转。这种软停止斜坡F具有被选择为从达到目标扭矩T_T的点开始在时间间隔Δt₂达到零水平的扭矩下降速率。

从人体工程学的观点来看，重要的是软停止斜坡F的持续时间Δt₂被选择为与每个螺纹接头的紧固阶段E的持续时间Δt₁相匹配。正确选择的软停止斜坡F的持续时间Δt₂使得动力工具的操作者能够使他的肌肉警报和肌力适于以舒适的方式（即，没有任何疲劳反射）来抵消动力工具中的反作用扭矩。

为了寻找对于在任何类型的螺纹接头上的紧固过程最佳的软停止斜坡持续时间Δt₂，确定螺纹接头的每单位时间的扭矩增长特性。对此的条件为使用的动力工具的操作特性（例如旋转速度，以及动力输出）是已知的。实际的螺纹接头的扭矩增长特性通过表明在舒适水平扭矩水平T_S与目标扭矩水平T_T之间的关系，以及用于紧固阶段E的时间间隔Δt₁来确定。之后，选择软停止的扭矩下降斜坡F的适当持续时间Δt₂。扭矩下降斜坡F的斜率对应于从扭矩恢复水平T_R到零的扭矩大小上的差与时间间隔Δt₂之间的关系。

扭矩下降斜坡F的适当的持续时间Δt₂是通过来自于预紧固测试过程的经验结果确定的，在预紧固测试过程中动力工具操作者使用相同的动力工具已经紧固了多个不同扭矩增长特性的螺纹接头。由于每单位时间的扭矩增长取决于动力工具的操作速度，因此适当的扭矩下降斜坡持续时间Δt₂密切地取决于动力工具的操作特性。选择被操作者体验为最舒适的扭矩下降斜坡F的持续时间Δt₂与紧固阶段E的持续时间Δt₁之间的关系，以在生产中用于螺纹接头的紧固操作。

建立实际的扭矩增长或紧固阶段持续时间Δt₁的可替代方式为表明在紧固阶段中两个任意选择的时间点t_a和t_b之间扭矩上的差。扭矩大小T_a和T_b（在两个点t_a和t_b之间表明）之间的差为在紧固阶段E中对扭矩增长的测量。

对于实际上紧固的螺纹接头，计算恢复的扭矩施加斜坡F的适当的后目标下降速率的方法为积分在每单位时间扭矩差中的差，以使得能够在紧固阶段E与软停止斜坡F之间进行基于能量的比较。紧固阶段E与扭矩下降斜坡F的能量含量之间一定的经验性确定的关系被用于建立抵消由操作者产生的肌肉动作的适当的以及比较不令人疲劳的反作用扭矩。

根据本发明的方法提供了一种通过自动地适应在被紧固的螺纹接头上后目标恢复的扭矩施加的扭矩下降速率来确定适合的且舒适的反作用扭矩特性的方式，而不管实际紧固的螺纹接头的扭矩增长特性如何。这意味着恢复的扭矩施加的下降速率通过实际紧固的螺纹接头的扭矩增长的表明在紧固阶段确定，即意味着不需要任何下降速率的预设定。

Claims (4)

1.一种通过手持扭矩传递动力工具将螺纹接头紧固至预定的目标扭矩水平(T_T)的方法，包括以下步骤：将紧固扭矩施加至螺纹接头以经由较低的扭矩舒适水平(T_S)达到目标扭矩水平(T_T)，表明在所述舒适水平(T_S)与所述目标扭矩水平(T_T)之间的紧固阶段(E)期间的至少一个扭矩增长特性，在达到所述目标扭矩水平(T_T)时中断施加在所述螺纹接头上的紧固扭矩，从而停止所述螺纹接头的进一步旋转，以及在达到所述目标扭矩水平(T_T)之后以下降速率经由下降斜坡(F)恢复扭矩施加，其中恢复的扭矩施加以响应于在达到所述目标扭矩水平(T_T)之前的紧固过程中所表明的所述至少一个扭矩增长特性的速率下降，从而获得所述动力工具中的人体工学上有利的扭矩反作用特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个扭矩增长特性包括在对应于所述舒适水平(T_S)的点与对应于所述目标扭矩水平(T_T)的点之间经过的时间，并且恢复的扭矩施加斜坡(F)的下降速率对应于响应于在所述舒适水平的点与所述目标扭矩水平的点之间经过的所述时间的时间间隔。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个扭矩增长特性包括在对应于所述舒适水平(T_S)的点与对应于所述目标扭矩水平(T_T)的点之间选择的两个或更多的点(t_a和t_b)之间经过的时间，其中所述经过的时间(t_b-t_a)被在所述数目的点之间的对应的扭矩差(T_b-T_a)积分，以获得用于适应恢复的扭矩施加的下降速率的基于能力的参考。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述恢复的扭矩施加斜坡(F)通过施加比在所述紧固阶段(E)期间使用的所述动力工具的最大输出动力低逾10％的动力工具输出动力而开始。