CN113358266A - 螺栓装配张紧力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺栓装配张紧力测试方法，该方法的原理是在屈服点之前，螺栓张紧力和伸长量存在线性关系，二者的斜率称为螺栓的刚度系数，对同一种材料来说，刚度系数均为常量。在塑性范围内对螺栓施加一定的力，对螺栓的张紧力和伸长量进行测量，就可以算出该螺栓的刚度系数并建立不同类型螺栓的刚度系数矩阵。然后在装配现场测量出装配前后螺栓的伸长量，再调取数据库中对应螺栓的刚度系数，就可以得到实际装配时的张紧力。

Description

螺栓装配张紧力测试方法

技术领域

本发明涉及汽车紧固件装配技术领域，具体涉及一种螺栓装配张紧力测试方法。

背景技术

张紧力是在进行装配的紧固件内部保证一定的拉力，用于保证紧固件在装配和使用过程中不会发生断裂、脱落及滑动，是衡量紧固件是否装配到位最直观的表征参数。尤其在发动机、轴承座及底盘等重要安全部位的紧固件，需要精确的确定张紧力才能保证装配安全。

在实际装配中无法直接测量张紧力，而是通过伺服机力矩监控来表征螺栓的拧紧情况。伺服机的拧紧力矩是由摩擦力及张紧力两个部分组成，由于摩擦系数存在一个特定的区间范围，而且装配过程中也有可能引入杂物从而增大摩擦力，导致伺服机反馈的力矩大小并不能反映螺栓拧紧的真实情况，也就无法准确判断螺栓是否达到装配所要求的张紧力。还有一种情况是拧紧参数设置不合理，螺栓已经完全拧紧，伺服机还未达到参数设定值就会发生报警，影响生产效率。

如果实际工程中螺栓张紧力不足时，在使用过程中就有可能发生松脱甚至断裂，导致严重的安全事故。而如果张紧力过大，远远超出了所需的数值，则表示螺栓选择不合理，存在性能过剩，导致生产成本的提高。因此，通过本方法测量实际的张紧力，可以判断现场装配是否到位，还可以选择适配螺栓，最大程度发挥螺栓张紧力的作用，可以节约成本同时起到轻量化的目的，这在发动机缸体、底盘等部位显得尤其重要。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种螺栓装配张紧力测试方法，可以快速测量螺栓装配的实际张紧力，指导现场装配工艺。

本发明采用的技术方案是：一种螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：

1)、测量待测试螺栓的初始长度，记为L₀；

2)、将待测试螺栓安装在拧紧台夹具上，将螺栓头部置入拧紧夹头，拧紧夹头对螺栓施加扭力进行拧紧，同时对张紧力进行监控；当张紧力达到某一个设定值时，保持该拧紧角度并停止拧紧，记录对应的张紧力大小F_t；

3)、松开拧紧夹头，此时螺栓仍处于拧紧状态；测量此时的螺栓长度，记为L_t；

4)、将螺栓头部置入拧紧夹头，继续拧紧，重复步骤(2)、(3)，直到记录足够多的张紧力和螺栓长度的数值；

5)、拧松螺栓，将螺栓从夹具中取出并进行长度测量，记为L_c；

6)、根据所测量得到的张紧力F_t和螺栓长度L_t曲线，计算得到刚度系数K；

7)、在装配现场测量螺栓装配前后的伸长量，计算出螺栓实际拧紧时的张紧力F；

8)、通过计算出的张紧力与实际要求张紧力之间的对比,对现场工艺过程进行指导。

作为优选，步骤1)、步骤3)和步骤7)中，使用超声波测量仪测量螺栓长度，超声波测量仪探头具有磁性，且贴合在螺栓头部，涂抹专用润滑液在探头上以保证探头的灵敏度。

进一步的，螺栓的上下端面使用磨抛试验机加工，保证螺栓的上下端面平整平行，以保证波的反射，平面度≤0.02，粗糙度≤0.8μm。

作为优选，步骤6)中，刚度系数K计算公式如下：

K＝(F_t-F_t-1)/(L_t–L_t-1) (1)

F＝(L_T-L)×K (2)

式中：K——刚度系数；F_t——拉伸到某一时刻的张紧力；F_t-1——上一次测量的张紧力；L_t——螺栓在摩擦试验台施加一定力后的长度；L_t-1——螺栓在摩擦试验台上一次测量的长度；F——实际装配时的张紧力；L_T——实际装配时的螺栓长度；L——实际装配螺栓的原始长度。

进一步的，步骤7)中，利用公式(2)计算出螺栓实际拧紧时的张紧力F。

作为优选，步骤7)中，测量数据至少为5组并取平均值作为实际张紧力。

作为优选，螺栓数量至少为10个，且长度一致，误差不超过±0.2mm，刚度系数测量至少5组数据。

作为优选，拧入夹具的螺纹长度需等同于实际安装部位。

作为优选，对比L₀与L_c，误差应小于等于0.01％，该螺栓未发生塑性变形，此时测得的K值有效；若L₀与L_c相差大于0.01％，则需重新测量。

作为优选，步骤8)中，通过对比计算出的张紧力与实际要求的张紧力的差异对现场工艺过程进行指导，具体为：

a)、当伺服机在装配时发生报警，但是张紧力测试结果合格，则说明伺服机监控参数出现了偏差，需要重新设置更为精确的范围，从而消除报警；

b)、当伺服机在装配时发生报警，且张紧力测试结果不合格，则说明伺服机监控参数与张紧力不匹配，需要重新设置监控参数，从而达到消除报警及张紧力合格；

c)、当伺服机在装配未发生报警，且张紧力测试结果合格，则说明伺服机监控参数与张紧力匹配，无需调整；

d)、当伺服机在装配未发生报警，但是张紧力测试结果不合格，则说明服机反馈的力矩大小并不能反映螺栓拧紧的真实情况，装配过程中可能引入杂物从而导致力矩达标而张紧力不足，需要检查现场装配环境后重新进行操作。

本发明取得的有益效果是：

1、原理简单，具备很高的可操作性；

2、可以快速测量螺栓装配的实际张紧力，指导现场装配工艺；

3、可以根据实际张紧力选择合适的螺栓，达到性能最大化，在精密部件可以起到明显的轻量化效果；

4、在机械开发设计阶段可以根据张紧力制定最佳的拧紧工艺。

附图说明

图1为使用超声波测量螺栓长度示意图；

图2为螺栓安装在摩擦试验台上的示意图；

图3为螺栓实际装配拧紧的示意图；

附图标记：1、螺栓；2、超声波测量仪探头；3、超声波测量仪；4、拧紧夹头；5、拧紧台。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-3所示，本发明的一种螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：

1)、结合图1所示，用超声波测量仪3(超声波测量仪能够记录脉冲发射和其回声波返回之间所需的时间，利用声波在螺栓中的传播速度和传播时间可计算出螺栓受力前后的长度变化)测量待测试螺栓1的初始长度，记为L₀；测量前，螺栓1至少准备10个，且螺栓1必须经过研磨后达到长度一致，误差不超过±0.2mm，磨抛试验机用于保证螺栓1的上下端面平整平行，以保证波的反射，平面度≤0.02，粗糙度≤0.8μm；

2)、结合图2所示，将待测试螺栓1安装在摩擦试验台的拧紧台5夹具上，将螺栓1头部置入拧紧夹头4，拧紧夹头4对螺栓1施加扭力进行拧紧，同时对张紧力进行监控；当张紧力达到某一个设定值时，保持该拧紧角度并停止拧紧，记录对应的张紧力大小F_t(摩擦试验台能够记录螺栓1在拧紧过程中张紧力)；

3)、松开拧紧夹头4(此时螺栓仍处于拧紧状态)，使用超声波测量仪3测量此时的螺栓长度，记为L_t；

4)、将螺栓1头部置入拧紧夹头4，继续拧紧，重复步骤(2)、(3)，直到记录足够多的张紧力和螺栓长度的数值；

5)、拧松螺栓1，将螺栓1从夹具中取出并进行长度测量，记为L_c；

6)、根据所测量得到的张紧力F_t和螺栓长度L_t曲线，计算得到刚度系数K；

刚度系数K计算公式如下：

K＝(F_t-F_t-1)/(L_t–L_t-1) (1)

F＝(L_T-L)×K (2)

式中：K——刚度系数；F_t——拉伸到某一时刻的张紧力；F_t-1——上一次测量的张紧力；L_t——螺栓在摩擦试验台施加一定力后的长度；L_t-1——螺栓在摩擦试验台上一次测量的长度；F——实际装配时的张紧力；L_T——实际装配时的螺栓长度；L——实际装配螺栓的原始长度；

7)、利用超声波测量仪3在装配现场测量螺栓1装配前后的伸长量，利用步骤6)中的公式(2)计算出螺栓实际拧紧时的张紧力，测量数据至少为5组并取平均值作为实际张紧力；

8)、通过计算出的张紧力与实际要求张紧力之间的对比,对现场工艺过程进行指导，具体情况分为以下四种：

a)、当伺服机在装配时发生报警，但是张紧力测试结果合格，则说明伺服机监控参数出现了偏差，需要重新设置更为精确的范围，从而消除报警；

b)、当伺服机在装配时发生报警，且张紧力测试结果不合格，则说明伺服机监控参数与张紧力不匹配，需要重新设置监控参数，从而达到消除报警及张紧力合格；

c)、当伺服机在装配未发生报警，且张紧力测试结果合格，则说明伺服机监控参数与张紧力匹配，无需调整；

d)、当伺服机在装配未发生报警，但是张紧力测试结果不合格，则说明服机反馈的力矩大小并不能反映螺栓拧紧的真实情况，装配过程中可能引入杂物从而导致力矩达标而张紧力不足，需要检查现场装配环境后重新进行操作。

测量时，需要注意：

(1)、注意拧入夹具的螺纹长度需要等同于实际安装部位；如图3为螺栓实际作用部位长度l₁，图2为螺栓在试验台上试验长度l₂，l₁＝l₂；

(2)、对比L₀与L_c，误差应小于等于0.01％，说明该螺栓未发生塑性变形，此时测得的K值有效。若L₀与L_c相差大于0.01％，则需重新测量；

(3)、使用超声波测量仪3测量螺栓长度时，超声波测量仪探头2具有磁性，且必须贴合在螺栓1头部，如有必要，可以涂抹专用润滑液在超声波测量仪探头2上以保证超声波测量仪探头2的灵敏度。

本发明的原理是：

在屈服点之前，螺栓张紧力和伸长量存在线性关系，二者的斜率称为螺栓的刚度系数，对同一种材料来说，刚度系数均为常量。在塑性范围内对螺栓施加一定的力，对螺栓的张紧力和伸长量进行测量，就可以算出该螺栓的刚度系数并建立不同类型螺栓的刚度系数矩阵。然后在装配现场测量出装配前后螺栓的伸长量，再调取数据库中对应螺栓的刚度系数，就可以得到实际装配时的张紧力。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

在此，需要说明的是，上述技术方案的描述是示例性的，本说明书可以以不同形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的技术方案。相反，提供这些说明将使得本发明公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本说明书所公开的范围。此外，本发明的技术方案仅由权利要求的范围限定。

用于描述本说明书和权利要求的各方面公开的形状、尺寸、比率、角度和数字仅仅是示例，因此，本说明书和权利要求的不限于所示出的细节。在以下描述中，当相关的已知功能或配置的详细描述被确定为不必要地模糊本说明书和权利要求的重点时，将省略详细描述。

在使用本说明书中描述的“包括”、“具有”和“包含”的情况下，除非使用否则还可以具有另一部分或其他部分，所用的术语通常可以是单数但也可以表示复数形式。

应该指出，尽管在本说明书可能出现并使用术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”等来描述各种不同的组件，但是这些成分和部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个成分和部分和另一个成分和部分。例如，在不脱离本说明书的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件可以被称为第一部件，顶部和底部的部件在一定情况下，也可以彼此对调或转换；一端和另一端的部件可以彼此性能相同或者不同。

在描述位置关系时，例如，当位置顺序被描述为“在...上”、“在...上方”、“在...下方”和“下一个”时，除非使用“恰好”或“直接”这样的词汇或术语，此外则可以包括它们之间不接触或者接触的情形。如果提到第一元件位于第二元件“上”，则并不意味着在图中第一元件必须位于第二元件的上方。所述部件的上部和下部会根据观察的角度和定向的改变而改变。因此，在附图中或在实际构造中，如果涉及了第一元件位于第二元件“上”的情况可以包括第一元件位于第二元件“下方”的情况以及第一元件位于第二元件“上方”的情况。在描述时间关系时，除非使用“恰好”或“直接”，否则在描述“之后”、“后续”、“随后”和“之前”时，可以包括步骤之间并不连续的情况。本发明的各种实施方案的特征可以部分地或全部地彼此组合或者拼接，并且可以如本领域技术人员可以充分理解的以各种不同地构造来执行。本发明的实施方案可以彼此独立地执行，或者可以以相互依赖的关系一起执行。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：

1)、测量待测试螺栓的初始长度，记为L₀；

2)、将待测试螺栓安装在拧紧台夹具上，将螺栓头部置入拧紧夹头，拧紧夹头对螺栓施加扭力进行拧紧，同时对张紧力进行监控；当张紧力达到某一个设定值时，保持该拧紧角度并停止拧紧，记录对应的张紧力大小F_t；

3)、松开拧紧夹头，此时螺栓仍处于拧紧状态；测量此时的螺栓长度，记为L_t；

4)、将螺栓头部置入拧紧夹头，继续拧紧，重复步骤(2)、(3)，直到记录足够多的张紧力和螺栓长度的数值；

5)、拧松螺栓，将螺栓从夹具中取出并进行长度测量，记为L_c；

6)、根据所测量得到的张紧力F_t和螺栓长度L_t曲线，计算得到刚度系数K；

7)、在装配现场测量螺栓装配前后的伸长量，计算出螺栓实际拧紧时的张紧力F；

8)、通过计算出的张紧力与实际要求张紧力之间的对比,对现场工艺过程进行指导。

2.根据权利要求1所述的螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：步骤1)、步骤3)和步骤7)中，使用超声波测量仪测量螺栓长度，超声波测量仪探头具有磁性，且贴合在螺栓头部，涂抹专用润滑液在超声波测量仪探头上以保证超声波测量仪探头的灵敏度。

3.根据权利要求2所述的螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：螺栓的上下端面使用磨抛试验机加工，保证螺栓的上下端面平整平行，以保证波的反射，平面度≤0.02，粗糙度≤0.8μm。

4.根据权利要求1所述的螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：步骤6)中，刚度系数K计算公式如下：

K＝(F_t-F_t-1)/(L_t–L_t-1) (1)

F＝(L_T-L)×K (2)

式中：K——刚度系数；F_t——拉伸到某一时刻的张紧力；F_t-1——上一次测量的张紧力；L_t——螺栓在摩擦试验台施加一定力后的长度；L_t-1——螺栓在摩擦试验台上一次测量的长度；F——实际装配时的张紧力；L_T——实际装配时的螺栓长度；L——实际装配螺栓的原始长度。

5.根据权利要求4所述的螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：步骤7)中，利用公式(2)计算出螺栓实际拧紧时的张紧力F。

6.根据权利要求1所述的螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：步骤7)中，测量数据至少为5组并取平均值作为实际张紧力。

7.根据权利要求1所述的螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：螺栓数量至少为10个，且长度一致，误差不超过±0.2mm，刚度系数测量至少5组数据。

8.根据权利要求1所述的螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：拧入夹具的螺纹长度需等同于实际安装部位。

9.根据权利要求1所述的螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：对比L₀与L_c，误差应小于等于0.01％，该螺栓未发生塑性变形，此时测得的K值有效；若L₀与L_c相差大于0.01％，则需重新测量。

10.根据权利要求1所述的螺栓装配张紧力测试方法，其特征在于：步骤8)中，通过对比计算出的张紧力与实际要求的张紧力的差异对现场工艺过程进行指导，具体为：

a)、当伺服机在装配时发生报警，但是张紧力测试结果合格，则说明伺服机监控参数出现了偏差，需要重新设置更为精确的范围，从而消除报警；

b)、当伺服机在装配时发生报警，且张紧力测试结果不合格，则说明伺服机监控参数与张紧力不匹配，需要重新设置监控参数，从而达到消除报警及张紧力合格；

c)、当伺服机在装配未发生报警，且张紧力测试结果合格，则说明伺服机监控参数与张紧力匹配，无需调整；

d)、当伺服机在装配未发生报警，但是张紧力测试结果不合格，则说明服机反馈的力矩大小并不能反映螺栓拧紧的真实情况，装配过程中可能引入杂物从而导致力矩达标而张紧力不足，需要检查现场装配环境后重新进行操作。

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