CN109186843B - 一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置及方法，属于精密测量仪器技术领域，该装置包括：预紧力测试台和螺丝刀；所述预紧力测试台上安装有拉/压力传感器，用于测量将螺钉旋入被连接件过程中螺钉的预紧力；所述螺丝刀包括：安装筒、压力传感器、扭矩传感器、上扭矩传递柱、下扭矩传递组件及刀头；扭矩传感器用于测量螺钉旋入被连接件过程中螺钉受到的扭矩，上扭矩传递柱和下扭矩传递组件分别安装在扭矩传感器的两端，下扭矩传递组件位于安装筒外侧的一端安装有刀头；压力传感器用于测量拧紧螺钉时施加的压紧力；本发明能够测量螺钉连接过程中扭矩、预紧力和压紧力，采用数理统计的方法，获得不同条件下的扭矩系数K的变化规律。
Description
技术领域
本发明属于精密测量仪器技术领域，具体涉及一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置及方法。
背景技术
随着航空、航天、军事、医疗上对精密仪表的精度和稳定性的要求不断增加，对机械产品中的连接质量提出了越来越高的要求，提高精密仪表的精度和稳定性的任务已经迫在眉睫。其中，螺纹连接由于可以获得很大的连接力，又便于装拆，连接件通过标准化易于实现大批量生产，而且连接成本低、连接件价格便宜、具有互换性，因此成为最为广泛应用的连接方式。螺纹连接质量直接影响着整个产品的装配质量及可靠性。从经济角度来看，螺纹紧固件本身的价值虽然很低，但是它们所连接的产品却通常都很昂贵。在螺纹连接由于质量问题导致连接失效时，损坏的不仅仅是螺纹紧固件本身，而是整个产品。
以螺钉连接为例，螺钉的预紧力是指在拧螺钉过程中拧紧力矩作用下的螺钉与被连接件之间产生的沿螺钉轴心线方向的作用力。精密仪表的装配中，若预紧力过高，螺钉连接引起应力集中，进而造成被连接件塑性变形，从而影响精密仪表的精度；如果预紧力过低，首先可能会导致的就是螺钉连接起不到实际的连接作用，其次过低的预紧力会引起在振动环境中的精密仪表螺钉脱松，被连接件出现滑移，严重影响精密仪表的精度或造成仪表损坏。因此预紧力的控制尤为重要。
目前生产实践中主要应用扭矩法来控制螺钉连接的预紧力，该方法操作简单，应用灵活，工艺成本低，是应用最广的螺钉拧紧方法。其基本原理是在拧紧过程中通过控制扭矩来实现对预紧力的间接控制，即T＝KdF，其中，T为扭矩；K为扭矩系数；d为螺钉的公称直径；F为螺钉的预紧力。目前，工程中扭矩系数K一般主要依据经验来确定。在支承表面不光滑、无润滑油时，K一般取0.2；在支承表面光滑、有润滑油时，K一般取0.1。但是在实际拧紧过程中，扭矩系数K并不是一个常数，螺钉支承表面的粗糙度、有无润滑剂、拧紧速度、拧紧工具、拧紧时的温度等都会对扭矩系数K产生影响。同一批螺钉，由于外界条件的变化，K可能在0.1～0.3范围内，甚至更宽的范围内变动。K的变动必然会导致预紧力控制精度的降低，使得螺钉的预紧力有较大的离散性。由此可见，对于精密仪表或者其它高精度仪器，在预紧力需要精确控制时，面对材料、温度、润滑条件等多种不确定因素，K的经验值显然满足不了工程实际需求，因此，准确获得螺纹连接中预紧力和扭矩的映射关系及研究压紧力对其关系影响对于提高装配质量具有重要意义。
螺纹连接工艺过程越来越受到重视，人们对其研究也越来越深入，但大部分研究都集中于大型承受重载的车用、船用螺钉上。对于精密仪表中广泛使用的公称直径(M)为2-6的小尺寸螺纹连接的研究比较匮乏。一方面是小尺寸螺钉对于精密仪表精度的影响还没受到广泛重视。另一方面，小尺寸螺钉相比于大尺寸螺钉在研究的过程中有更多的难点。其一，小尺寸螺钉的加工质量问题，其形状误差、尺寸误差、表面粗糙度的情况离散性太大，从而导致测量结果离散性也比较大。其二，小尺寸螺钉摩擦面积小，无法使用贴片型传感器直接测量其预紧力及各摩擦面的摩擦力，造成了小尺寸螺钉的扭矩系数在研究上的困难。而且，目前大多数螺钉连接的研究没有对拧紧过程中施加的压紧力进行监测研究。但我们不能忽略在拧紧螺钉时，尤其是拧紧小尺寸十字螺钉过程中压紧力的重要性，例如在实际人工作业时只有施加一定的压紧力才能更好的完成紧固过程。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置及方法，能够针对不同型号的螺钉，不同被连接件材料，不同润滑条件的螺钉连接，测量螺钉连接过程中扭矩、预紧力和压紧力，采用数理统计的方法，获得不同条件下的扭矩系数K的变化规律，该变化规律可用于指导生产实践。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置，包括：预紧力测试台和螺丝刀；
所述预紧力测试台上安装有拉/压力传感器，用于测量将螺钉旋入被连接件过程中螺钉的预紧力；
所述螺丝刀包括：安装筒、压力传感器、扭矩传感器、上扭矩传递柱、下扭矩传递组件及刀头；
压力传感器的一端固定在安装筒顶部设有的盖板上，另一端与所述防磨板相接触；所述压力传感器用于测量对螺钉施加的向下压紧力的大小；
扭矩传感器与安装筒间隙配合，上扭矩传递柱和下扭矩传递组件分别安装在扭矩传感器的两端；扭矩传感器用于测量螺钉旋入被连接件过程中螺钉受到的扭矩；
下扭矩传递组件穿过安装筒底部设有的端盖后，通过角接触球轴承支撑在端盖上，角接触球轴承用于对扭矩传感器进行向下的轴向限位，并用于实现下扭矩传递组件与安装筒的转动分离；下扭矩传递组件位于安装筒外侧的一端安装有刀头；
上扭矩传递柱上设有与安装筒径向一致的传递轴，传递轴的两端分别穿过安装筒的侧壁上设有的通孔，并与所述通孔间隙配合，传递轴通过上扭矩传递柱带动扭矩传感器随安装筒进行转动。
进一步的，所述螺丝刀还包括：推力轴承和防磨板；
所述防磨板通过推力轴承安装在上扭矩传递柱的顶端，推力轴承用于实现分别位于其上的防磨板和其下的上扭矩传递柱的转动分离；
进一步的，所述安装筒由上半筒和下半筒对接形成。
进一步的，所述下扭矩传递组件包括：顺序对接的连接盖、扭矩轴和安装套筒；
其中，所述安装套筒的一端通过销钉与扭矩轴连接，另一端与刀头连接；所述刀头的刀杆为外六方结构，所述安装套筒为内六方结构，通过外六方结构与内六方结构配合，使刀头与安装套筒连接。
进一步的，所述安装筒的侧壁上设有的通孔为长孔；所述长孔的长度方向与安装筒的轴向一致，长孔的内表面与传递轴的外圆周面留有设定间隙。
进一步的，所述传递轴与安装筒的侧壁上的长孔之间安装有衬套，衬套采用聚四氟乙烯。
进一步的，所述预紧力测试台包括支撑面、底板及用于将支撑面、底板连接为一体的螺柱；所述拉/压力传感器安装在底板上，带螺孔试件通过连接柱安装在拉/压力传感器的顶部。
一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量方法，基于上述测量装置，具体步骤如下：
第一步，选取设定型号的一枚螺钉为试验件；
第二步，通过螺丝刀对螺钉进行拧紧，通过螺钉将预紧力测试台的支撑面与带螺孔试件连接起来；
第三步，在拧紧螺钉的过程中，通过扭矩传感器监测螺钉受到的扭矩；通过拉/压力传感器监测螺钉受到的预紧力；通过压力传感器监测拧紧过程中施加的压紧力，控制压紧力为设定值FN；当扭矩或者预紧力达到设定值时，完成对螺钉的拧紧；
并对压力传感器、扭矩传感器及拉/压力传感器测量得到的数据进行采集，分别得到该螺钉受到的压紧力、扭矩和预紧力的动态曲线；
第四步，根据公式T＝KdF、第三步得到的螺钉受到的扭矩和预紧力的动态曲线，计算该螺钉的扭矩系数Ki，得到扭矩系数Ki的数据集，其中，i＝1，2，…，n，n为采集点，d为该型号螺钉的公称直径；
第五步，去除该数据集中的最大值和最小值以及奇异值后，根据公式
得出在压紧力为设定值FN时的扭矩系数平均值
第六步，建立该条件下该螺钉的预紧力F和扭矩T关系的数学模型，即
该扭矩和预紧力关系即为该螺钉在设定润滑条件和设定被连接件材料及压紧力为FN下的数学关系。
有益效果：(1)本发明通过拉/压力传感器测量螺钉连接中的预紧力，通过扭矩传感器测量螺钉连接中的扭矩，实现了对螺钉连接中的预紧力和扭矩的实时监测，通过采集拉/压力传感器和扭矩传感器的测量值，建立了预紧力和扭矩的关系，进而指导生产实践。
(2)本发明通过压力传感器监测对螺钉施加的向下压紧力的大小，使螺钉受到的压紧力达到设定值，可以进一步的研究不同大小的压紧力对扭矩系数K的影响。
(3)本发明中的各个部件垂直布置，有效地避免了横向布置中螺钉和测量仪器自身重力对测量结果的影响，提高了螺钉连接中预紧力和扭矩的测量精度。
(4)本发明通过更换螺钉的规格、被连接件的材料及润滑条件，能够模拟螺钉连接的实际工况；其中，更换螺钉的规格时，通过更换螺丝刀的刀头即可实现。
(5)本发明的安装套筒通过销钉与扭矩轴连接，牢固可靠，最大程度缩小了使用时螺丝刀时的轴向位移，提高了扭矩传感器和压力传感器采集数据的准确和一致性。
(6)本发明的测量装置可精确测量小尺寸螺钉M1-M6连接的预紧力。
附图说明
图1为本发明的整体布局图。
图2为本发明的螺丝刀结构组成示意图。
图3为本发明的螺丝刀外形图。
其中，1-盖板，2-上半筒，3-下半筒，4-端盖，5-销钉，6-安装套筒，7-刀头，8-压力传感器，9-防磨板，10-推力轴承，11-上扭矩传递柱，12-传递轴，13-衬套，14-扭矩传感器，15-连接盖、16-扭矩轴，17-角接触球轴承。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置及方法，参见附图1，所述装置包括：预紧力测试台和螺丝刀；
所述预紧力测试台包括支撑面、底板及用于将支撑面、底板连接为一体的螺柱；底板上安装有拉/压力传感器，带螺孔试件通过连接柱安装在拉/压力传感器的顶部，连接柱通过其两侧的限位装置来保持稳固；拉/压力传感器用于测量将螺钉穿过支撑面的光孔后，旋入带螺孔试件过程中螺钉的预紧力，在本实施例中，预紧力测试台的支撑面和带螺孔试件为两个被连接件。
参见附图2和3，所述螺丝刀包括：筒身组件、安装套筒6、刀头7以及安装在筒身组件内部的扭矩轴16、角接触球轴承17、扭矩传感器14、连接盖15、上扭矩传递柱11、传递轴12、衬套13、推力轴承10、防磨板9及压力传感器8；
所述筒身组件包括：盖板1、上半筒2、下半筒3及端盖4；上半筒2和下半筒3通过法兰结构对接形成两端开口的筒状结构，盖板1将上半筒2的开口封闭，端盖4安装在下半筒3的开口处；其中，上半筒2的外圆周面镀有防滑橡胶，便于操作人员旋转筒身组件；
扭矩轴16一端穿过端盖4，另一端位于筒身组件内部，且与筒身组件之间安装有角接触球轴承17，角接触球轴承17的内环与扭矩轴16的外圆周面相接触，其外环与下半筒3的内圆周面相接触，用于实现扭矩轴16与下半筒3的相对转动；且角接触球轴承17一端的内环与扭矩轴16的环形凸台相抵触，另一端的外环与端盖4的环形凸台相抵触，用于实现对角接触球轴承17的轴向定位；扭矩轴16位于筒身组件外部的一端通过销钉5连接有安装套筒6，安装套筒6的底部安装有刀头7；其中，所述刀头7的刀杆为外六方结构，所述安装套筒6为内六方结构，通过外六方结构与内六方结构配合，使刀头7与安装套筒6连接；
扭矩传感器14的底部安装有连接盖15，顶部安装有上扭矩传递柱11；连接盖15上加工有凸起，扭矩轴16的上端面加工有与所述凸起配合的凹槽，通过所述凸起与所述凹槽的配合，实现连接盖15与扭矩轴16的同轴连接；上扭矩传递柱11的侧面安装有贯穿其径向的传递轴12，传递轴12的两端分别穿过上半筒2侧壁上的长孔，用于带动扭矩传感器14随上半筒2进行转动；所述长孔的长度方向与上半筒2的轴向一致，长孔的内表面与传递轴12的外圆周面留有设定间隙；传递轴12与上半筒2侧壁的长孔之间安装有衬套13，衬套13采用PTFE(聚四氟乙烯)，用于减少传递轴12对上半筒2的磨损；其中，扭矩传感器14用于测量螺钉旋入带螺孔试件过程中螺钉受到的扭矩；
推力轴承10的紧环套装在上扭矩传递柱11的上端面中部的凸台上，推力轴承10的松环套装在防磨板9下端面中部的凸台上；压力传感器8的一端与盖板1连接，另一端与所述防磨板9相接触；其中，所述压力传感器8用于测量对螺钉施加的向下压紧力的大小，可使螺钉达到设定的压紧力，采集的数据可进一步研究压紧力对扭矩系数K的影响；
所述扭矩轴16、扭矩传感器14、连接盖15、上扭矩传递柱11、防磨板9及压力传感器8的外圆周面均与筒身组件的内圆周面不接触。
所述装置的测量过程如下(以M2型航空螺钉为例)：
第一步，随机选取某M2型的一枚航空螺钉为试验件；
第二步，确定润滑条件和两个被连接件材料后，通过本发明的螺丝刀分别对该螺钉进行拧紧，拧紧过程如下：将带螺孔试件安装在拉/压力传感器顶部的连接柱上，待测量的螺钉穿过预紧力测试台的支撑面的光孔后，与连接柱上的带螺孔试件同轴相对；操作人员用手握住螺丝刀，使得刀头7与待测量的螺钉相接触后，下压螺丝刀，并旋转螺丝刀的筒身组件，通过传递轴12带动扭矩传感器14、扭矩轴16、安装套筒6及刀头7随筒身组件转动，刀头7转动使得螺钉旋入带螺孔试件中，进而拧紧螺钉将预紧力测试台的支撑面与带螺孔试件连接起来；
第三步，在拧紧螺钉的过程中，通过压力传感器8监测螺钉受到的压紧力，下压螺丝刀使螺钉受到的压紧力达到设定值FN；通过扭矩传感器14监测螺钉受到的扭矩，当扭矩或者预紧力达到设定值时，完成对螺钉的拧紧；通过预紧力测试台上的拉/压力传感器监测螺钉受到的预紧力；
对扭矩传感器14、拉/压力传感器和压力传感器8测量得到的数据进行采集，分别得到螺钉受到的扭矩、预紧力和压紧力的动态曲线；
第四步，根据公式T＝KdF、第三步得到的该螺钉受到的扭矩和预紧力的动态曲线，计算该螺钉的扭矩系数Ki，得到螺钉的扭矩系数Ki的数据集；
第五步，去除该数据集中的最大值和最小值以及奇异值后，根据公式
得出扭矩系数平均值
第六步，在压紧力为FN、该润滑条件和两个被连接件材料下，建立该螺钉预紧力F和扭矩T关系的数学模型，即
其中d为该型号螺钉的公称直径，在本实施例中，d＝2mm；
第七步，重复第二步至第六步，完成单个螺钉的多次拧紧，对拧紧次数对扭矩系数K的影响进行研究。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置，其特征在于，包括：预紧力测试台和螺丝刀；
所述预紧力测试台上安装有拉/压力传感器，用于测量将螺钉旋入被连接件过程中螺钉的预紧力；
所述螺丝刀包括：安装筒、压力传感器(8)、推力轴承(10)、防磨板(9)、扭矩传感器(14)、上扭矩传递柱(11)、下扭矩传递组件及刀头(7)；
扭矩传感器(14)与安装筒间隙配合，上扭矩传递柱(11)和下扭矩传递组件分别安装在扭矩传感器(14)的两端；扭矩传感器(14)用于测量螺钉旋入被连接件过程中螺钉受到的扭矩；
所述防磨板(9)通过推力轴承(10)安装在上扭矩传递柱(11)的顶端，推力轴承(10)用于实现分别位于其上的防磨板(9)和其下的上扭矩传递柱(11)的转动分离；
压力传感器(8)的一端固定在安装筒顶部设有的盖板(1)上，另一端与所述防磨板(9)相接触；所述压力传感器(8)用于测量对螺钉施加的向下压紧力的大小；
下扭矩传递组件穿过安装筒底部设有的端盖(4)后，通过角接触球轴承(17)支撑在端盖(4)上，角接触球轴承(17)用于对扭矩传感器(14)进行向下的轴向限位，并用于实现下扭矩传递组件与安装筒的转动分离；下扭矩传递组件位于安装筒外侧的一端安装有刀头(7)；
上扭矩传递柱(11)上设有与安装筒径向一致的传递轴(12)，传递轴(12)的两端分别穿过安装筒的侧壁上设有的通孔，并与所述通孔间隙配合，传递轴(12)通过上扭矩传递柱(11)带动扭矩传感器(14)随安装筒进行转动。
2.如权利要求1所述的一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置，其特征在于，所述安装筒由上半筒(2)和下半筒(3)对接形成。
3.如权利要求1所述的一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置，其特征在于，所述下扭矩传递组件包括：顺序对接的连接盖(15)、扭矩轴(16)和安装套筒(6)；
其中，所述安装套筒(6)的一端通过销钉与扭矩轴(16)连接，另一端与刀头(7)连接；所述刀头(7)的刀杆为外六方结构，所述安装套筒(6)为内六方结构，通过外六方结构与内六方结构配合，使刀头(7)与安装套筒(6)连接。
4.如权利要求1所述的一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置，其特征在于，所述安装筒的侧壁上设有的通孔为长孔；所述长孔的长度方向与安装筒的轴向一致，长孔的内表面与传递轴(12)的外圆周面留有设定间隙。
5.如权利要求4所述的一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置，其特征在于，所述传递轴(12)与安装筒的侧壁上的长孔之间安装有衬套(13)，衬套(13)采用聚四氟乙烯。
6.如权利要求1所述的一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量装置，其特征在于，所述预紧力测试台包括支撑面、底板及用于将支撑面、底板连接为一体的螺柱；所述拉/压力传感器安装在底板上，带螺孔试件通过连接柱安装在拉/压力传感器的顶部。
7.一种用于研究压紧力对扭矩系数影响的测量方法，基于权利要求1的测量装置，其特征在于，具体步骤如下：
第一步，选取设定型号的一枚螺钉为试验件；
第二步，确定润滑条件和两个被连接件材料后，通过螺丝刀对螺钉进行拧紧，通过螺钉将预紧力测试台的支撑面与带螺孔试件连接起来；
第三步，在拧紧螺钉的过程中，通过扭矩传感器(14)监测螺钉受到的扭矩；通过拉/压力传感器监测螺钉受到的预紧力；通过压力传感器(8)监测拧紧过程中施加的压紧力，控制压紧力为设定值FN；当扭矩或者预紧力达到设定值时，完成对螺钉的拧紧；
并对压力传感器(8)、扭矩传感器(14)及拉/压力传感器测量得到的数据进行采集，分别得到该螺钉受到的压紧力、扭矩和预紧力的动态曲线；
第四步，根据公式T＝KdF、第三步得到的螺钉受到的扭矩和预紧力的动态曲线，计算该螺钉的扭矩系数Ki，得到扭矩系数Ki的数据集，其中，i＝1，2，…，n，n为采集点，d为该型号螺钉的公称直径；
第五步，去除该数据集中的最大值和最小值以及奇异值后，根据公式
得出在压紧力为设定值FN时的扭矩系数平均值
第六步，在压紧力为FN、第二步的润滑条件和两个被连接件材料下，建立该螺钉的预紧力F和扭矩T关系的数学模型，即
该扭矩和预紧力关系即为该螺钉在设定润滑条件和设定被连接件材料及压紧力为FN下的数学关系。
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