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力矩法、转角法上紧螺栓力矩可靠性分析
________________________________________作者 ：黄　伟，陈家权                更新时间：2008-2-13



（广西大学机械工程学院　，广西 南宁　 530004）

摘要： 采用螺栓联接零件，螺栓的预紧力是衡量螺栓联接可靠性的重要指标，为了使螺栓达到所要求的预紧力，目前普遍采用力矩法和转角法这两种上紧螺栓的方法。利用超声波测长仪，可以测量出螺栓拧紧前后的微小变化量，通过计算可得到螺栓的轴向预紧力。实验表明，力矩法拧紧螺栓，轴向预紧力较分散，不好控制，而转角法拧紧螺栓，轴向预紧力较集中，也就是说，转角法能够很好控制螺栓的预紧力，可靠性要优于力矩法。
关键词： 预紧力 ; 可靠性 ; 力矩法 ; 转角法

引言
在国内的一些发动机制造行业中，对于一些高强度螺栓，如主轴螺栓、连杆螺栓、缸盖螺栓等，都是采用力矩法来上紧的。即使用拧紧工具如定力扳手、电动拧紧机等，将螺栓上紧到某一设定力矩即可。这种上紧螺栓的方法，已长期得到广泛使用。在某些企业，上紧螺栓力矩工艺更加复杂，先是用ATLAS扳手将螺栓上到某一力矩值，再用人工复紧到工艺要求设定值。这种方法可靠性如何呢？人工复紧是否存在重复工作？。在国外的先进发动机制造企业，已普遍采用转角法上紧螺栓力矩。即用自动拧紧机将螺栓拧到某一力矩值后，再转过一个角度。这种工艺的优点在于可实现全自动化，生产效率高，控制精度高，一至性很好，消除人为因素影响。
一：螺纹连接基本原理
1、螺栓拧紧过程中的摩擦与扭矩消耗

图 1

螺栓拧紧过程中的摩擦与扭矩消耗如上图所示，根据经验公式有：
式中： 为螺纹副摩擦系数； 为端面摩擦系数；
为螺栓有效直径，粗牙螺纹， 0.906d ，细牙螺纹， 0.928d；
为端面摩擦圆有效直径，
分别为摩擦圆的外径及内径；
d为螺纹公称直径；
为螺纹升角，粗牙螺纹 2°50′，细牙螺纹 2°10′
为垂直截面内的螺纹牙形半角，约为29°58′
经计算可得下表1：


硬连接 软连接
摩擦系数 0.08 0.14
螺栓伸长(夹紧) 20% 12%
螺纹摩擦 35% 39%
端面摩擦 45% 49%
圆饼图：

图2
由表1可知，在上紧力矩的过程中，只有10-20%左右的拧紧力矩转化为螺栓的轴向力。而轴向力（预紧力）是评价螺纹连接可靠性的重要性指标。螺栓松动的重要原因，是预紧力不足，防止螺栓松动的有效措施，就是确保预紧力、提高预紧力。
2、摩擦系数与扭矩系数的关系
摩擦系数是摩擦力与正压力的比值。螺纹联接摩擦可分为螺副摩擦系数μs，端面摩擦系数μw。扭矩系数k是反映螺栓拧紧过程中的扭矩与轴向夹紧力之间关系的经验参数，由T=kd•F给出(式中：T－拧紧力矩；d－螺栓直径；F－轴向夹紧力或螺栓预紧力；。K值越小，螺纹摩擦和端面摩擦所占扭矩消耗比越小。

通过实际测试同一规格同一批次的国产螺栓，其k值变化非常大。故在保证同一规格同一批次螺栓轴向预紧力相同的情况下，由于受到k值变化的影响，测得的拧紧力矩变化非常大。相反，在保证拧紧力矩相同的情况下，测量得的轴向力比较分散。
3、力矩法、转角法螺纹紧固件拧紧过程对比
a、拧紧过程的不同阶段
图3
b、扭矩法
图 4
c、扭矩转角法
图 5

从上图来分析，由于受k值变化的影响，相同的拧紧力矩会得到不同的预紧力，最终轴向预紧力分散（图4）。扭矩转角法拧紧能有效控制螺栓预紧力(轴向力)，避免用扭矩法拧紧时出现的螺栓拉长或拉断现象（图5）。转角法比力矩法更能很好去控制螺栓轴向预紧力的一至性。也就是说，只要合理选择控制参数，转角法比力矩法可靠性更高。
二、试验验证：
选取杆长为121的连杆螺栓作试验，将螺栓两端打磨光滑，用超声波测长仪测量螺栓拧紧力矩后的申长量。
1、力矩法：使用两端磨光螺栓，用拧紧机将螺栓拧紧到220N.m，再用人工复紧到230N.m，测量连杆螺栓伸长量及轴向力如表3。

表 3
螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN) 螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN) 螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN)
1 0.162 86.82 13 0.168 89.86 25 0.174 93.21
2 0.18 96.74 14 0.166 88.9 26 0.149 79.72
3 0.187 100.03 15 0.176 94.13 27 0.174 93.21
4 0.167 89.76 16 0.172 92.05 28 0.173 92.95
5 0.177 95.14 17 0.154 82.77 29 0.178 95.36
6 0.161 86.24 18 0.17 91.08 30 0.183 97.85
7 0.174 93.01 19 0.158 84.69 31 0.172 92.11
8 0.161 86.45 20 0.192 102.75 32 0.163 87.41
9 0.191 102.32 21 0.163 87.42 33 0.178 95.51
10 0.165 88.54 22 0.173 92.75 34 0.163 87.62
11 0.169 90.62 23 0.188 100.99 35 0.167 89.77
12 0.169 90.79 24 0.184 98.61 36 0.159 85.29
轴向力分布为：
轴向力范围 79~85 85．01~90 90．01~95 95．01~100 100．01~105
个数 3 12 11 6 4
极小值 79．72　　极大值102．75　　极差 23．03　　
平均值 91．75 标准差：S1=1.86
直方图：
图 6
2、转角法：使用两端磨光螺栓，用拧紧机按转角法60 N.m＋50°工艺拧紧，不复紧，测量连杆螺栓伸长量及轴向力如表4。

表4
螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN) 螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN) 螺栓编号 伸长量(mm) 轴向力(KN)
1 0.157 84.03 16 0.152 81.51 31 0.165 88.67
2 0.162 86.95 17 0.15 80.6 32 0.157 84.18
3 0.167 89.57 18 0.15 80.35 33 0.158 84.61
4 0.149 79.64 19 0.153 81.79 34 0.139 84.3
5 0.177 95.01 20 0.165 88.45 35 0.15 80.5
6 0.15 80.39 21 0.132 70.83 36 0.154 82.79
7 0.152 81.73 22 0.156 83.6 37 0.154 82.38
8 0.16 85.79 23 0.147 78.68 38 0.151 81.04
9 0.16 86.01 24 0.159 85.04 39 0.154 82.71
10 0.159 85.06 25 0.157 84.04 40 0.147 78.71
11 0.147 78.92 26 0.137 73.3 41 0.139 74.54
12 0.164 87.85 27 0.145 77.54 42 0.148 79.46
13 0.146 78.23 28 0.161 86.07 43 0.137 83.68
14 0.151 81.11 29 0.152 81.28 44 0.146 78.23
15 0.142 75.99 30 0.146 78.34 45 ------- -------
轴向力分布为：
轴向力范围 70~75 75．01~80 80．01~85 85．01~90 90．01~96
个数 3 10 21 11 1
极小值 70．8……  

2　　极大值95．01　　极差 　24．19　　
平均值　80．29　　标准差：S2＝0.85
直方图
图7
从上两个直方图来看，采用转角法得到的螺栓轴向力比较集中，而力矩法则比较分散。从标准差来看，转角法测得的数据标准差S2要远远小于力矩法S1。

三 结论：
从以上试验可知，采用转角法上紧螺栓力矩，比采用力矩法更能很好地控制螺栓的轴向力的一至性。若轴向力过大，会导至螺栓断裂失效，轴向力过小，容易导致螺栓松脱。也就是说，采用转角法上紧螺栓力矩可靠性高于力矩法。

后续：
扭矩法－我们用了几十年，在我们的脑子里根深蒂固，转角法在中国还是处于萌芽阶段。当我们改用转角法时，绝大多数人会用扭矩法的思想去衡量转角法，如有的人对转角拧紧效果不放心，则要求在用转角法拧紧并使用一段时间后进行防漏和防松复检——用定力矩扳手设定一较低的力矩值，如用转角法拧紧后力矩值在280～460N.m，则设定200N.m，如发现力矩小于200N.m，则说明该螺栓联接已松动失效，须查明原因后重新按转角法拧紧(这完全可以理解，而且有一定必要)；但有的人直接搬用扭矩法的监测方法，按经验定一范围(260～300N.m)，复检时凡小于260 N.m一律复紧到260～300 N.m，凡大于300N.m一律拆松复紧到260～300 N.m——用这样的方法活生生的把转角法改变为扭矩法。


参考文献：
⑴　GB/T16823.3 《螺纹紧固件拧紧实验方法》
⑵　SAEJ174 《钢制螺纹紧固件扭-拉实验方法》
⑶　EQY-262-97 《螺纹紧固件摩擦性能实验方法》
⑷　卜炎 《螺纹联接设计与计算》．高等教育出版社．1995年7月．北京．
⑸　杨连先 《内燃机设计》．中国农业出版社．1981年8月．北京．
⑹　濮进 《汽车螺纹紧固件装配扭矩检查方法研究与应用》
⑺　ISO16047 《Fasteners－Torque/clamp fore testing》
⑻　刘惟信 《机械可靠性设计》 清华大学出版社．1995年2月．北京．
⑼　姜立华 《发动机螺栓连接及拧紧工具应用技术》 2005年1月 吉林
⑽　郭永基 《可靠性工程原理》 清华大学出版社．2001年4月．北京．
⑾　郭学陶 《轴向静载荷作用下螺栓强度的试验研究》 南京航空学院．1983．

扭矩扳子及扭矩转角测试仪　相关资料（中文版　英文版）

[ 本帖最后由 吉利阿友 于 2008-12-16 18:40 编辑 ]

德国汽车螺栓装配工艺设计及测试.

授人以鱼，不如授人以渔
很好  确实经典
想请教一下  国内哪家的扭矩检定装置做得好？

　　我目前在用的是国产东方仪器厂的ＮＪ系列扭矩检定仪．使用了近９年，性能还不错．

我觉得测量仪器更多的要考虑： 精度，采集频率，是否可以测量所有工具，包括气动离合器断气式工具，气动油压脉冲工具，电动定扭矩工具，液压工具，手动工具。很多扭矩测量仪只能测量手动工具，主要原因在于采集频率小，而且需要加载台不方便。

先扭到一定的力矩，再旋转特定的角度，比较复杂，除非要求很高，一般不需要这么复杂吧

非常感谢楼主分享资料

最近要考试扭矩
要查些资料
这一查吓一跳啊
发现现在对扭矩扳手的意见争论很大啊

回复 10# 娱乐化


    呵呵，实情如此呀。指望搞计量科研的这帮人提出好的解决方法呀，而不是成天没事在钻研什么实验室的不确定度什么的。

好东西，学习一下。