（机械制造及其自动化专业论文）可控定扭矩旋紧机的研制.pdf

可控定扭矩旋紧机的研制 摘要 | 夔簧我国汽车鼗瓣大发震，对汽车装懿鑫动懿二、莺产曩二掇窭了毅豹更褰的 要求。滤清器作为汽车行业不可缺少的一环，其装配的可靠性，自动化程度都 影响熬个汽车行业的发餍。本论文研制的可控定扭矩旋紧机针对机油滤清器不 同尺寸系列实现了滤清器旋配的半自动化。本论文在对比各种旋紧方法之后， 采用液压系统实现扭矩掇制，通过试验测定液压压力与扭矩之阀靛关系，扭矩 控翻熏燕塞疑窝准瑗。麓繁凝设委拳乎帮镳豢诞整繇节，哥锋瓣滤渣嚣不同系 捌尺寸实现可控定扭矩旋紧，采用p l c 作为控制系统，装配可纛性和生产率大 大撼商。 机械结构设计除解决滤清器的定位旋紧之外，更解决了滤清器不同系列尺 寸的浆性化装配。采用液压与气动技术保证旋紧操作的实现。p l c 控制系统分 裂设嚣塞动、手动工终模式帮数薅整理调试模式，保涯麓紧壤系统半叁动纯装 配鹣可靠经。可控定缀艇旋紧辊的蛩 裁霄效解决了滤清器半爨貔纯装配豹国产 化问题。 关键词：滤清器；旋紧机；定扭矩；可控 d e v e l o p m e n to fc o n t r o l l a b l ec e r t a i nt o r q u ep r e 。l o a d i n gm a c h m e a b s t l 汰c t a st h eg r e a td e v e l o p m e n to fc h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r i e s ，n e wa n dh i g h e r r e q u i r e m e n ti sp r e s e n t e df o rt h ea u t oa s s e m b l ya u t o m a t i o nd o m e s t i c a l f i l t e ri sa n i n t e g r a lp a r to fa u t oi n d u s t r y , i t sa s s e m b l yr e l i a b i l i t ya n da u t o m a t i o na f f e c tt h e d e v e l o p m e n to ft h ee n t i r ea u t o m o b i l ei n d u s t r y t h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o l l a b l e c e r t a i nt o r q u ep r e - l o a d i n gm a c h i n eb a s eo nt h es e r i e ss i z e so fo i lf i l t e ra c h i e v e st h e g o a lo ff i l t e rs e m i a u t o m a t e da s s e m b l y c o n t r a s t i n gv a r i o u sp r e l o a d i n gm e t h o d s ， h y d r a u l i cs y s t e mi sa p p l i e dt oc o n t r o lt o r q u e ，t h er e l a t i o n s h i po fh y d r a u l i cp r e s s u r e a n dt o r q u ei sm e a s u r e dt h r o u g ht e s t sa n dm o r ev i s u a l 。t h ea d j u s t m e n t so fv e r t i c a l a n dh o r i z o n t a lf o rt h es e r i e ss i z e sf i l t e r sa n dh y d r a u l i cs y s t e mc a na c h i e v et h e p r e - l o a d i n go f c o n t r o l l a b l ec e r t a i nt o r q u e p l cc o n t r o ls y s t e me n h a n c e s t h e r e l i a b i l i t ya n dp r o d u c t i v i t yo ff i l t e ra s s e m b l yg r e a t l y t h em e c h a n i s m so fp r e - l o a d i n gm a c h i n en o to n l yf a s t e nt h eo i lf i l t e r , b u ta l s o p u tf l e x i b l ea s s e m b l yf o rs e r i e ss i z e si n t op r a c t i c a le f f e c t t h eh y d r a u l i ca n d p n e u m a t i cs y s t e m se n s u r et h ep r e l o a d i n go p e r a t i o n p l cc o n t r o ls y s t e ms e t s3 m o d e s ，a u t o m a t i o n ，m a n u a la n de x c e p t i o nh a n d l e s ，t oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f s e m i a u t o m a t e da s s e m b l y 弛ed e v e l o p m e n to fc o n t r o l l a b l ec e r t a i n t o r q u e p r e l o a d i n g m a c h i n ee f f e c t i v e l ys o l v e st h ed o m e s t i c a l p r o b l e mo fo i lf i l t e r s e m i - a u t o m a t e da s s e m b l y k e yw o r d s ：o i lf i l t e r ；p r e l o a d i n gm a c h i n e ；c e r t a i nt o r q u e ；c o n t r o l l a b l e 符号清单 摩擦系数 回转速度 螺纹摩擦系数 薤矩 f 轴向紧固力 占角度 d ，螺纹公称直径 攻密封槽内径 攻密封攘终径 芷滤清器壹径 l 滤清器高度 p 螺栓螺距 矗螺柃有效直径 a 螓绞半受 掣，螺纹摩擦系数 f 。螺桂崖丽的摩擦系数 仃。材料屈服极限 d 材料拉伸应力 d 气缸壹径 r 效率 机械效率 仇容积效率 肇压力差 p 。油泵工作压力 蟊法袈辕鑫滚量 现油泵总效率 只。墩大负载功率 矿容积 h 发热量 蠢散热嚣获 & 温舞 插图清单 图1 - 1 全流式旋装机油滤清器3 图1 2 摩擦系数与回转速度之间的关系5 图1 - 3 紧固力与拯矩之闺熬关系6 鋈1 - 4 疑矩与紧固囊震之瘸戆关系7 图2 - 1 滤清器联接结构尺寸9 图2 2 摩擦系数对扭矩擞紧固力的影响1 1 图2 - 3 旋紧机机械结构示意图1 4 图2 4 旋紧杌工作流程图1 4 蚕2 5 旋繁餐装嚣篾鹫1 5 圈2 6 旋紧枫装配立体濒1 6 图2 7 旋紧机水平调整机构1 7 图2 - 8 旋紧机铅垂调整机构1 7 图2 。9 旋紧机压爪1 7 霆2 。l o 压最3 d 设计及癸黧董求舞1 9 图2 + l l 导辕布置淘2 0 图3 - 1 旋紧机液压马达负裁图和速度图2 2 图3 - 2 液压系统工作回路2 4 图3 - 3 压力一扭矩关系图2 7 銎4 1p l c 基本结构框嬲2 8 图霹。2p l c 控毒l 系绞 | 殳诗滚程疆踅3 0 图4 - 3p l c 工作流程图3 2 图4 - 4 p l c 输入输出外部接线3 5 图4 - 5p l c 强电接线图3 5 图4 w 6c x p 工作界面3 7 嚣4 7 p l c 系统设萋鬻翻3 8 圈4 - 8c x - p 梯形圈操作鬻口3 9 图4 。9p l c 程序梯形圈一4 0 图4 - 1 0p l c 程序指令助记符4 1 图5 - 1 滤清器旋紧机4 5 图5 - 2 可调定扛矩旋紧撬装配滤渣器生产线瑷场4 6 表格清单 表1 - 1 汽车发动机三滤的作用1 表1 2 各种紧固工具的扭矩精度8 表1 3 各种紧固方法的紧固力精度8 表2 - 1 联接螺纹和密封面尺寸9 表2 2 滤清器的直径和长度9 表2 3 滤清器更换周期1 3 表3 - 1b m r 8 0 p 1 y 2 液压马达主要技术参数2 4 表3 2 液压系统相关元件型号及规格2 5 表4 - 1o m r o np l cs y s m a cc p m l a 3 0 点c p u 单元性能规格3 1 表4 2p l c 输入输出信号3 4 表4 - 3c x p v 5 0 系统配置要求3 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些盍堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储繇韩 签字日期：力眵务矽月牛同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲王些盍堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金胆至业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 擗勘 导师签名7 苦害乌 签字日期国晦多月络日 签字日期：年月i 牛日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址 电话： 邮编 致谢 值此学业即将完成之际，谨向我的导师张崇高教授致以衷心感谢! 三年来， 导师不仅对我的学习、生活关怀备至，更对我的人生给予了有益的教诲。在论 文的选题上，导师张崇高教授更以敏锐的眼光将课题选定在当今中国大发展的 汽车行业，引领我进入一个新天地，开阔了视野，也为我择业奠定了发展的空 间。从论文选题到定稿的每个步骤，导师都悉心指导，以她渊博的学识指导我 辨别方向，使我顺利到达胜利的彼岸。导师严谨的治学态度、光明磊落的人格 魅力、乐观向上的风范、宽厚的胸怀和崇高的思想境界将永远指导我学习、工 作和做人。 感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院杨海东副教授、邢庭元老师! 他们 使我有机会介入并参与滤清器旋紧机课题。杨海东副教授以无私的胸怀，广博 的知识指导我液压系统和p l c 设计，并多次为我提供试验环境，测试和改进论 文相关数据，使我由理论上升到实践。刑庭元老师在机械结构设计上给予了热 情的指导和帮助，不仅使我对机械结构设计有了更系统深入的认识，更为我提 供了许多实践操作的机会，积累了实践操作经验。 感谢我的爱人王英娇在我学习期间给我的关怀和鼓励! 我们分享知识，分 享苦乐。 感谢我的家人和亲友对我学习、工作的关注和鼓励! 感谢所有支持、帮助过我的老师、同学和朋友! 作者：韩慧 二零零六年六月 第一章绪论 1 1 滤清器简介 ，1 滤渍嚣需求褒状 滤清器主要指空气滤清器、祝漓滤清嚣和燃涵滤清器，萁通_ ；逢对进入发动 机的窝气、机油和燃油进行过滤，是汽车发动机中必不可少的部分。因此可以 说滤滴器行业的发展与汽车发动机的发展密切相关。 “十一五”期间，我阔汽车工业将从超离遮增长进入平稳健康快速的发展 泠段，汽车零配l 譬则将继熬擎蔑速发展蓐遴入快速发展酶亵峰期，滤凌器行监 将随麓熬车静发展蠢轻大起来。 “三滤”产品属汽车易耗部件，因而维修市场对滤清器的需求量将会逐渐 增大。据不完全统计，目的约有2 3 的滤清器产品是面向维修市场。截止到2 0 0 5 年6 月，我国民用汽车保钶量已经达到2 8 0 0 万辆。根据中国内燃机协会滤清器 分会掇傲的相关数据敕缀验公式，滤渍器的滋求量与汽车保育鬟之毙僮大约为 8 ：1 ，胃嚣维掺索曩一年貔滤渍器慧量赘突藏1 5 亿套。 戴外，由于国内滤漓器的价格优势，到“十一五”末，预计融口达4 。3 亿 套，缎短五年间，仅出口一项，就会增长1 4 倍强。 激烈的市场竞争使得熬车生产企业希望通过国产化率加大圆内采购量来 降低成本。众所周知，髓麓发动机的技术提丹，对滤清嚣提出离精度、高寿命， 轻型纯、模块恁豹要求，露鏊蘩我国大部分众渡还不其备壹圭戮发筢力，秀楚 向毅术发力，是滤清器行驶突破发展瓶颈，实现质的飞跃黥关键一役。 1 1 2 滤清器作用原理和机油滤清器结构特点 襁一个系统中，用一种多孔的介质将液体或气体中的固体微粒除去，称作 过滤，为完成这样的使命蕊采用的附件称为滤滴器。汽车发动枫的三滤( 空气 滤、燃淫滤、瓠灌滤) 称为汽摹滤凑嚣，楚发韵懿不毒获少戆一个秘俘【轴。磐 表1 - 1 所示为汽车发动橇三滤的作用。 波1 - 1 汽车发动机三滤的作用【2 l l 汽车发动机三滤滤清器的作h j 净化空气：在满足空气吸八景的情况下过滤掉最微小的絷质颗粒，保 护发动橇。 | 空气滤涟器 降低臻警；优囊空气滤溥器麓露效降低发动辊啜入空气对的噪音。 节省燃油；优质空气滤清器能节省1 0 的燃油。 清洁燃油：燃油滤清器过滤燃油中的杂质，避免它们进入电喷车的喷 i 燃油滤清器 射阀和冷启动阀，从而为发动机提供最佳保护。 清洁机油：机油滤清器的主要作用是最大程度地减少各部件在运行过 机油滤清器程中产生的磨擦，降低能量损耗和磨损。机油滤清器去除机油中的灰 尘，金属颗粒，碳沉淀物和煤烟颗粒等杂质，保护发动机。 以机油滤清器为例，在发动机使用过程中，灰尘、金属磨屑、碳清等机械 杂质将不断混入机油中，同时空气及燃烧的废气对机油的氧化作用，也会使机 油逐渐产生胶质，机械杂质与胶质混合还会形成油泥，这不仅会加速运动零件 的磨损，而且易造成油路堵塞。因此必须在机油进入主油道之前采用机油滤清 器对它进行过滤，使之保持清洁。以减少机件的磨损，延长机件和润滑油的使 用寿命。现在一般中小型发动机普遍使用旋装式一次性机油滤清器，国家机械 行业标准称之为“旋装式机油滤清器总成”。 自八十年代初期，蚌埠滤清器总厂，在国内首家从意大利引进旋装式滤清 器生产线以来，旋装式滤清器逐步为国内主机厂认可选用。此种滤清器的特点 是内部设有止回阀、旁通阀，整体更换，大大提高了密封性，且易于更换，其 滤芯材料多采用进口滤纸，因此过滤效率高，流量阻力小，寿命长。现国内轿 车全部采用此种结构形式的机油滤清器，绝大部分微型车以及大、中、小型客 车，轻型、中型载货车以及部分重型载货车和农用车都采用了旋装式机油滤清 器。 这种旋装式机油滤清器是由强度较高的薄钢板拉制成的简易外壳和纸质 复合滤芯装成一体的。螺纹法兰盘冲有多个进油孔，密封件固定板上压制有密 封圈槽，以便装密封圈。以上这些零件的材料很重要，它的材质好坏关系到整 个滤清器的密封性能和使用效果。壳体内的滤芯主要由中心管、微孔滤纸和上 下端盖组成。滤芯中心管是滤芯的骨架，用薄钢板制成，中心管上加工出许多 圆孔。微孔滤纸一般都折叠成纸扇形和波纹形以保证最小体积内有最大的过滤 面积，并提高滤芯的刚度，滤芯的滤纸是采用规定的机油滤纸，并按照滤纸性 能要求用滤芯胶粘剂与上下端盖经热固化处理而粘合在一起的。1 3 l 机油滤清器的主要结构特点： 滤纸：机油滤清器对滤纸的要求比空气滤清器更高，主要因为机油的温度 变化从o c 3 0 0 。c 不等，在剧烈的温度变化下，机油的浓度也发生相应改变， 从而影响机油的过滤流量。优质滤清器滤纸能够适应剧烈温度变化过滤杂质， 保证足够流量。 橡胶密封圈：优质机油滤清器密封圈是用特殊橡胶合成的，保证1 0 0 不 漏油。 止回阀：当发动机熄火时，它能防止机油滤清器变于，当发动机重新点火 时，它立即产生压力，供给清洁润滑油，润滑发动机。 旁通阀( 安全阀) ：其目的在于确保在机油温度较低或滤清器被过量的杂 质堵死的情况下，系统中的主要零部件可以得到机油的润滑。当机油滤清器超 2 出j 下常使用期限或当滤芯内外部压力差达到某一特定值时，旁通阀会在特殊压 力作用下打开，让未经过滤的机油直接流进发动机，这比发动机没有机油造成 的损失小得多，因此也保护了发动机。另在冷起动发动机时，由于机油粘度大， 通过滤芯的阻力增大，使该阀开启保证及时向主油道供油。 图1 - 1 全流式旋装机油滤清器 1 一出油口2 4 一密封圈3 一进油口5 一滤清器外壳 6 一纸滤芯7 一滤芯衬网8 一旁通阀弹簧9 一旁通阀片1 0 一弹簧 图1 - 1 为全流式旋装机油滤清器，机油泵从油底壳抽出的机油，以一定的 压力( o 3 0 4 m p a ) ，从滤清器的进油口，( 螺纹盖板的多个冲孔) 进入滤清器 的滤芯纸格表面( 如图1 2 中黑色箭头所示) ，经滤芯过滤后进入中心管，再从 出油口( 即中心螺纹孔) 流进发动机的主油道( 如图1 2 中白色箭头所示) 执 行润滑。当冷起动发动机，或滤芯被堵塞时，而造成过油阻力增大时，机油的 压力就会克服旁通阀弹簧的压力而被打开，机油便从该阀直接进入主油道，以 保证及时润滑。但值得注意的是：滤清器自身由于杂质增多而被堵塞时是其发 挥正常功效的时候。因此要求滤清器必须定期更换。 1 1 3 滤清器装配要求及现状 机油滤清器是一种需经常维护或更换的部件，周期约为5 , 0 0 0 1 0 ，0 0 0 公 里，或1 5 0 2 5 0 小时。旋装式滤清器更换简便，用手或工具旋下一个旧的再换 上一个新的便告完成，没有其他需拆装的零件。即使是对机油滤清器结构很不 熟悉的人也能做好这项更换工作，这是旋装式滤清器得以迅速推广的优点之一。 目前大多数轿车发动机使用的是旋装式机油滤清器，这种滤清器是不可拆 洗的一次性滤清器，当更换润滑油时必须同时更换机油滤清器，否则会影响润 滑油的质量。大多数汽车制造商对其外部滤清器推荐相关更换周期，如国外某 品牌汽车制造商推荐的滤清器正常维护的更换周期为4 8 万k m ，保守维护的推 3 荐更换周期为1 9 2 2 4 万k m 。由于滤清器为一次性，而滤清器螺纹盖板要反 复使用，故对滤清器的旋紧就有一定的要求，不能过紧以致损坏滤清器螺纹盖 板。 螺纹联接是机械产品零部件间的重要联接方式之一，其联接质量是保证产 品装配质量及可靠性的重要指标。在滤清器的装配生产中，螺纹联接由于简单 可靠、拆卸方便，而得到普遍的应用。螺纹装配技术也是机电工业的共性技术， 重要的机电产品，如发电、输变电、汽车、拖拉机、机床、仪表等对装配质量 的要求很高，对螺栓旋紧的力矩和角度等变量必须加以控制。 在工业生产中，拧紧技术从手动拧紧到使用工具拧紧，从机器设备的简单 拧紧，发展到了机器设备的精确拧紧。这是拧紧技术从低级到高级的一个发展 过程。对螺栓旋紧的多参数实时捕捉、在线监测、控制已成为保证机电产品装 配质量的重要手段之一。优良的螺纹旋装设备是提高工作效率，产出优质高效 滤清器产品的重要保证。 滤清器出厂前，通常将其与相对应的配管联接起来，以增加滤清器与发动 机或者其它配套产品的装配性。因此，为滤清器量身订做的各类型旋紧机的出 现，不仅降低了工人的劳动强度，提高了工作效率，而且实现了适度的预紧， 大大地提高了滤清器产品的装配质量，从而实现了滤清器产品的大批量、高质 量装配。 当前，我国滤清器产品装配技术以手动扭矩扳手旋紧为主，装配可靠性差， 效率比较低。工人劳动强度大，且失误率较大，很难适应汽车行业装配自动化 的要求，也为滤清器技术的提升带来了一定的障碍。 国外汽车业发展较早，装配线自动化程度高，滤清器等汽车相关辅助件的 装配也基本实现自动化，装配可靠性高，生产效率适应整个汽车行业的要求。 1 2 常见旋紧机类型及其原理 滤清器是以螺纹来实现联接的，属于一种比较典型的螺纹联接。控制螺纹 旋紧质量的关键并不是控制拧紧扭矩而是控制轴向预紧力，旋紧就是使两连接 体间具备足够的压紧力，在螺纹连接上就是轴向力预紧。在工作现场很难检测 或直接控制，往往采用间接控制的方法。常见的控制轴向预紧力的方法主要有 扭矩控制法( t ) 、扭矩一转角控制法( 1 a ) 、屈服点控制法( 1 1 g ) 、落座点一 转角控制法( s p a ) 、质量保证法( q a ) 等。1 4 】 1 2 1 扭矩控制法 扭矩控制( t ) 是最简单的控制方法，当旋紧扭矩达到某一设定控制值乃 时，立即停止旋紧。 扭矩紧固法是螺栓紧固中使用最多的一种方法，这种方法是控制螺栓的紧 固扭矩，当螺栓扭矩达到设定值后电机自动停止旋紧，其优点是比较直观且操 4 作简单。一般应用指针式扭矩扳手或预置式扭矩扳手。但因为扭矩受到摩擦力、 润滑情况等诸多因素的影响，只有少部份扭力转化为紧固力，误差大而且分散， 一般误差为2 5 ，所以在一些紧固力要求严格的装配中，不适合采用此方法。 其中一种典型方法定速紧固法，其基本原理是“摩擦系数是紧固转速 的函数”。 摩擦系 f 剖1 - 2 摩撩系数与回转速度之间的关系 如图1 2 所示、当紧固速度小于3 r p m 时，摩擦系数就会急剧上升，此时在 静态摩擦系数范围，当摩擦系数升高时，紧固力自然就要下降。为了提高紧固 力精度就需保持一定的紧固速度。试验结果表明定速紧固方法比不定速紧固方 法，紧固力精度提高2 0 。采用数控螺栓旋紧机进行旋紧时，可实现对转速的 控制，从而实现定扭矩旋紧。 1 2 2 扭矩一转角控制法 扭矩一转角控制法( 1 a ) 是由扭矩控制法发展而来，当拧到某一不大的扭 矩后，再从此点起拧某一设定的转角。 图1 - 3 所示在螺栓旋紧时，紧固力矩r 与作用于螺栓上的紧固力( 轴向力 f ) 之间的曲线关系，该直线的斜率将随着螺纹面、座面的状态而变化，通常 情况摩擦系数_ ，的波动范围在0 1 0 0 2 0 之间，质量好的螺栓在o 1 4 0 1 8 之间分布，使用扭矩法紧固时，受摩擦系数波动的影响，紧圆力的精度在4 - 3 0 之间变化，为了改善扭矩法的这个弱点，在许多场合使用扭矩角度法。 5 紧固力 f 秣 o l 扭矩法一分散十 弁 大 散性小 图1 - 3 紧固力与扭矩之间的关系 扭矩角度法是在紧固刚开始检测出一个较低的扭矩( 该扭矩被称为“阻碍 扭矩”，一般设定为最终扭矩的三分之一) ，从该点开始确定一个与扭矩无关的 角度进行旋紧的方法，其最大的优点是：受摩擦系数的影响很小，最终得到较 高精度的紧固力，在汽车发动机的装配中一般使用这种方法。 1 2 3 屈服点控制法 屈服点控制法( t g ) 是旋紧到屈服点后停止旋紧，利用材料的屈服现象来 实现的一种高精度旋紧方法。精度取决于螺栓材料的屈服强度。 屈服点法也叫扭矩斜率法，不受摩擦系数的影响，可一直紧固到螺栓材料 屈服强度为止，以往认为当紧固到螺栓屈服点后，若继续施加外力，轴向力就 会下降，并且担心螺栓拧断。实验证明，紧固到屈服点后螺栓仍能保持较高的 紧固力，只是螺栓不能多次重复使用。图1 4 所示，纵轴为扭矩，横轴为紧固 角度，该扭矩一角度曲线类似于材料的应力一应变曲线在弹性范围内呈直线上 升。逐渐上升的曲线斜率变得平缓，这个斜率发生变化的点就是螺栓材料的屈 服点，能够检测出该点的紧固方法叫屈服点法。 6 扭矩 刀n m 0 凹1 - 4 扭矩与紧崮角度之间的关系 1 2 4 落座点一转角控制法 落座点一转角控制法( s p a ) 是最近新出现的一种由扭矩一转角控制法( 1 1 a ) 发展来的控制方法。其优点是能克服在l 时已产生的扭矩误差，可进一步提高 旋紧精度。 1 2 5 质量保证法 质量保证法q a 法是通过测量螺栓的增长量来确定是否达到屈服点的一种 控制方法。 1 2 6 旋紧效果检测方法 根据旋紧检测的时间不同，分为事后检测法和过程检测法： 1 、事后检测法 松开法：将旋紧的螺栓用扭矩板手松开，读出松开时的瞬时值。 紧固法：即对已经旋紧的螺栓用扭矩板手沿螺栓的旋紧方向再施加一个逐 渐增大的扭矩，直至螺栓再一次产生旋紧运动，读出此时的瞬时值。 标记法：即对已经旋紧螺栓的旋紧位置做一个标记，将螺栓拧松之后再旋 紧到原来位置时的扭矩值。 2 、过程检测法 直接法：在需要检测时，把用于检测的扭矩传感器直接串接于扳手与被旋 紧的螺栓之间，旋紧时可以直接读出读数。 固定传感器法：与直接法的区别是，用于检测的扭矩传感器不是临时安装 的，而是固定在扳手的输出轴上。 7 传感器替换法：在原扳手安装扭矩传感器的部位上，装一根装卸尺寸与扭 矩传感器完全相同的可以快速拆卸的活动轴，当要测试时，将快速拆卸活动轴 卸下( 即原扭矩传感器随之卸下) ，换上检测用的扭矩传感器。 1 2 7 各种紧固工具、紧固方法的精度比较 不同的紧固工具的选择决定了其对扭矩的控制精度，如表1 2 所示，采用 电气螺母扳手可大大提高扭矩精度。 表1 - 2 各种紧固t 具的扭矩精度 紧固工具扭矩精度 螺丝扳手 3 1 0 冲击扳手1 0 3 0 液压螺母扳手 3 4 - 1 0 电气螺母扳手 4 - 1 3 对紧固方法的选择也直接决定了其对紧固力的控制精度，如表1 3 所示 屈服点控制法对紧固力的精度有很大的提升。 表1 - 3 各种紧固方法的紧固力精度 紧固方法紧固力精度 扭矩控制法 1 0 3 0 扭矩转角控制法1 0 2 5 屈服点控制法3 1 0 1 3 课题的主要任务和意义 机油滤清器可控扭矩旋紧机是应某公司委托研制的。其具体设计要求为： 1 、功能要求：对机油滤清器巾8 0 x 1 2 5 m 1 4 0 3 0 0 尺寸系列实现半自动 旋紧。旋紧扭矩在3 0 6 0 n m 之间可控；对每一种滤清器的旋紧扭矩要求经调 整可实现定扭矩旋紧。 2 、生产率要求：工件装夹后，从启动到旋紧的时间为5 s 。 3 、安全要求：在未装工件或出现其他故障时可自动报警。 研制可控扭矩旋紧机替代人工旋紧不仅提高了滤清器的装配质量和生产 效率，而且也减轻了工人的体力劳动，实现了滤清器装配的技术提升。 根据设计要求，考虑到滤清器的结构特点和其对扭矩精度和紧固力精度的 要求较宽，旋紧机旋紧设计采用液压马达旋紧系统来实现扭矩控制。 滤清器旋紧机的研制为国内可控小扭矩、定扭矩旋紧机的研制开创了先 例，采用液压系统实现扭矩控制旋紧也为小扭矩旋紧方案的设计提供了一个可 靠的平台。本课题为国内可控小扭矩相关应用行业提供了借鉴意义，为汽车行 业装配自动化程度的提高迈出了有意义的一步。 8 第二章旋紧机机械结构设计 2 1 滤清器联接结构与性能要求 滤清器主要有外壳，螺纹盖板，滤芯端盖，中心管，滤纸，橡胶圈等组成。 其中联接螺纹和密封面是旋紧时考虑的主要因素。 内外螺纹和密封面的尺寸见图2 - 1 及表2 - 1 的规定。螺纹应符合g b1 9 2 、 g b1 9 3 、g b1 9 6 和g b1 9 7 的规定。密封面应连续，没有疏松、擦伤和缺口。 图2 - 1 滤清器联接结构尺寸【5 】 表2 - 1 联接螺纹和密封面尺寸( 单位：n u n ) 连接尺寸密封面 公差 幽如出 螺柱螺纹滤清器螺纹 m 1 6 x 1 5 6 9 6 h5 27 22 m 2 0 x 1 5 6 9 6 h5 87 62 m 2 4 1 5 6 9 6 h7 09 44 注：当滤清器旋紧后，应保证至少有三扣螺纹接触。 表2 2 滤清器的直径和长度( 单位：m m ) 8 0 9 0 1 0 0 1 1 2 直径k = 8 0 = 9 0= 1 0 0= 1 1 2= 1 4 0 长度 1 2 51 6 02 1 0 2 6 5 3 1 0 表2 2 为滤清器各尺寸系列规格。 9 其他要求： 1 、密封热的自由高度藏 制造厂确定，数值取决于材料和形状。 2 、密錾絷应充分压缀遮翻瀵意夔繇含；一量装掰，应爨 歪奁滤涛器豹整 个使用期内密封效果良好。 3 、密封热直径应在d 2 和d 3 之间。 4 、滤清器稀密封垫疲阉时更换。斛 2 2 滤清器旋紧机总体方案 本旋紧机是针对汽车发动机用机油滤清器的旋紧装配设计，其总体设计方 案要求如下： ( 1 旋紧撼矩3 0 6 0 n m 之闻可控。诵整屠，实璐定羟矩旋綮。 ( 2 ) 通过更换胎具及压爪可实现多个尺寸系列滤清器的旋紧功能。 ( 3 ) 工件装夹后，从启动到旋紧的时间在5 s 之内。 ( 4 ) 在来装互譬 或密臻冀建教漳怼霹塞动掇警。 根据设计鼹求，本旋紧祝采用液压旋紧方式进行旋紧。主要由电气柜、液 厩浆站、旋紧机等部分组成。 旋紧机的工 乍原理是通过调整液压系统的工 乍压力，控制旋紧桃构的输出 疆短，颤满足麓綮露舞需要豹疆矩。采莠lo m r o np l c 为电气酶中心控潮摹元， 以实现旋紧过程自动化。工件的安装过程中，采用气缸推动压爪定位靠紧，并 禚旋紧过程中艇现自动补偿，使旋紧更加可靠。 2 。3 旋蘩塞短麓袋国力校骏 2 3 1 紧固力( 轴向力) 与旋紧力矩的关系： 螺栓在联接工件时，真藤起联接作用的力是紧固力f ，丽不是旋紧力矩。 这点虽然穰始淫解，餐考入慈是冀瑟蠛逡求整矩稽麓，褥忽略繁鬻力耪疫。 紧固力和旋紧力矩的关系悬； t = 五+ 疋一k f d ( 2 1 ) 式中：? 一一旋紧力矩； 乃一一螺纹的力矩； 乃一一被联接支承面的端面摩擦力矩； d - - 一螺纹公称直径； 芦一一鞭爨力； k 一一掇矩系数，k 慎与螺纹联接的摩擦面状态及螺纹几何尺寸相关； 扭矩系数k 是下述参数的函数： 1f p口，d、 肛一2 d 。 ：+ 盖c o s 邶“d j ( 2 - 2 ) 、#g， 7 1 0 式中：卜螺栓螺距； 卜螺栓有效直径； a 螺纹半角； _ 。螺纹摩擦系数； “o 一螺栓座面的摩擦系数。 上式中：旦螺栓紧固力f 的有效驱动力。 些! ! 与螺栓表面有关的摩擦项。 c o s d 脚x d 螺栓座面的摩擦项。 实验结果表明，在一般情况下上述三项的比例为1 ：4 ：5 ，由此可见实际 只有1 0 的螺栓紧固力作用在螺栓紧固上，其余的9 0 均消耗在螺栓和座面的 摩擦方面，摩擦系数的变化也将影响扭矩系数的变化。 预紧力的大小根据螺栓受力和联接的工作要求决定。一般规定拧紧螺纹及 联接件的预紧力不得大于材料屈服极限us 的8 0 。 2 3 2 摩擦系数对扭矩及紧固力的影响 图2 2 所示为紧固扭矩与作用于螺栓上的紧固力f 的关系曲线。 直线的斜率随着螺纹表面和座面的摩擦系数_ 。变化而变动。摩擦系数在 o 1 0 _ - o 2 5 之间波动，受摩擦系数的影响，扭矩所产生的有效紧固力也发生相 应的变化，摩擦系数。越小，相同扭矩产生的有效紧固力越大。因此，减少 摩擦的影响，可有效提升扭矩产生的有效紧固力，这就需对紧固所用的工具以 及采用的方法进行研究。 f 嗽 o 。“一、。一o 释凳 f ， - - _ 。， “、，- |、 f f j、 ； |f? ，、 j 一 j 1，杉 一+ ，一 ，一 s 产i j 7 么多 二 ，一 ，一 圈2 - 2 摩擦系数对扭矩及紧同力的影响 2 5 豳滤清器的结构可知，滤清器旋紧的摩擦力环境主要指螺纹藏板与橡皮密 封垫以及螺柱与滤清器螺纹之间的摩擦。 在旋紧时，滤清器的边缘橡皮密封垫往往会涂上些许的机油，如此可避免 旋紧孵橡皮拯曲丽导致密会度不佳，造成嘏濑麴渗漏，同时瞧可稠对的改善摩 擦磷境。摩擦琢凌熬渡褡稳对来讲菠稿鬻疆怒作疆在攥拴紧蠢圭豹螺捷紧霾力 增大。藩采用比厌氧胶更可靠的密封胶来实现旋装滤清器螺纹盏板的密封方法， 可进步减少所需螺检紧圃力，亦即可适当降低所需扭矩。 2 3 3 紧圃力计算校验 紧强力大小要适当。运当的预紧力霹紧寮瞧要求验联接可褥亵气密性，毽 过大靛预紧力会导致联接镣豹损坏，必须对其热班控裁。 以m 1 6 x 1 5 旋装式滤清器为例，滤清器赢体材料为铝合金，滤清器联接件 螺纹藏板为低碳钢： 由式( 2 1 ) ：t = k f d 得 。三 磁 式中：t = 3 0 6 0 n m ： k = 1 0 2 0 ： d = 1 6 m m ： 紧匿力f = 9 3 7 5k n 3 7 5k n 。 砖m 2 4 x l 。5 蓑装式滤瀵器紧嚣力f = 6 。2 5k n 2 5k n 。 一般麓定拧紧嚣螺纹联接俘的预紧力不褥大予其材料屈服极限以的8 0 。 取最大值3 7 5 k n 校验强度，由第四强度理论，螺栓截面的拉伸艘力为 1 3 x f 1 3 3 7 5 x 1 0 3 一历。 4 1 3 0 0 3 4 m p a( 2 3 ) 螺耔奉| 耨为0 2 3 5 ，蠢耀关表可褥毒季籽麓联极疆= 6 4 0 m p a ，敬安全系数 s 。1 5 ，则有 专；詈硼a 6 7 m p a 协4 ， d l 或】， 骚瘦是够。 2 ，3 4 螺纹盖板可靠性校骚 由于滤清器为一次性件，而其联接件螺纹盏板在更换滤清器时要多次使 用。袭2 3 给出了滤清器的常规更换周期。发动机的三滤视空气、机油和汽油 蛉清洁程度，在发动机黪生愈周麓内往往要鼹换几次，甚至十几次。 表2 - 3 滤清器更换周期 发动机三滤更换周期( k i n )强制更换判断 空气滤渣器5 0 0 0 ( 滔浩) 、1 5 万2 万滤蕊两髑涟满灰尘或濠污 机油滤清器 5 0 0 0 堵塞时或更换润滑油时 汽油滤清器1 万5 万漏油或堵塞时更换 规浊滤演捺的安装耪燹换过程如下： 1 、莽 干躐吸千旧杌漓。 2 、拧松并卸下旧机油滤清器。 3 、在新机油滤清器的磷封圈上抹一层机油。 4 、安装裁穰i 漓滤瀵嚣并旋蘩。 由于滤滴器联接件螺纹盖板的联接螺纹多次装卸翁磨损，加之旋紧后内部 鼹承受一定的压力，也容易使滤清器联接件螺纹盖板的螺纹产生变形，所以对 于艇装式滤清捺更换特别频繁的，除对螺纹盖扳的联接螺纹进行强度校按乡 ， 还建议送行耐磨往诗算，箕擦纹矛根部穗可进聿亍强寝校核。鼠焉设定适当静旋 紧扭矩，既保证初次旋紧可靠，又保证以后频繁拆卸和换装滤清器时，螺纹盖 板的联接螺纹不被磨损或破坏。 本漂蘧涉及毂掇港滤 爨嚣，其螺纹熬援在装配兹澄由厂囊对茭与捷、洼滤渍 器的联接进行了反复拆装试验。在5 0 次装卸后，螺纹盖板可靠馈达9 9 ，满 足在发动机生命周期内更换滤清器的频次。这里不作计算性校验。 2 4 旋紧规瓿械绩构总薅衣弱及工 乍滤糕 旋紧视枫械结构设计示意图如图2 - 3 ，悬挂式气缸带动压爪溉等轨上下移 渤对螺纹盖板进行定位和靠紧，液压马达带动回转盘转动实现扭嫩传递，回转 擞内为滤清器朗胎具，负赍对滤清器进行定位并姆扭矩健递给滤演嚣，实现旋 綮搽终。壶予滤清器畜多个系确足寸，这鐾要设幸 多餐压汞窝狳暴。 图2 3 左侧为调整环节，负责对滤清器不同尺寸系列实现在饪向和轴向的 尺寸调整，在旋紧某一产品前，根据其尺寸调整水平和铅垂两个方向的活动板 螺捡使其适应该产品熬径囊鞫辘良足寸，阉辩更换穗旋豹压瓜翻黪爨。 1 3 ；牟 气缸 f ，压爪 f ， 炉 一 ? ， 沁 广 一一 i 周转女 嘲 l j 液压马， 图2 - 3 旋紧机机械结构示意图 图2 4 为旋紧机工作流程图。 图2 4 旋紧机工作流程图 1 4 其工作过程：调定水平和铅垂活动板，更换相应胎具，控制柜通电，开通 p l c 。工人将已手动旋进的滤清器一端放在胎具内，使螺纹盖板l 面与固定压 爪联接的导轨面平行。按下“定位”按钮控制气缸下行使压爪与螺纹盖板l 面 靠紧完成定位。按下液压马达工作按钮开始旋紧，直至压力表检测压力达到设 定值，马达停止工作，气缸归位，更换下一工件，重复上述过程。 2 5 旋紧机机床结构及主要技术参数 旋紧机主要由气缸、压爪、调整板、工作台、胎具、操纵台、液压站、液 压马达、油箱和电器柜所构成， 如图2 5 、2 - 6 所示。整机结构为立式，工件 装卸及定位夹紧方便，气缸位于机顶距地面1 2 0 0 m m 1 3 0 0 m m ，液压马达装在 机身工作台下面和整机融为一体。布局合理，结构紧凑，占地面积小。 图2 - 5 旋紧机装配简图 1 5 图2 - 6 旋紧机装配立体图 旋紧机的主要技术参数： 工作台距地面：7 0 0l l u n 滤清器旋紧部分距地面：9 0 0m m 左右( 依滤清器系列长度尺寸而异) 气缸的最大行程：1 6 0m m 滤清器旋紧扭矩：3 0n m 6 0n m ( 依设计技术要求) 水平尺寸调整量：5 0m m 竖直尺寸调整量：1 0 0m m 可旋紧滤清器尺寸范围： 直径k ：6 0m m 1 6 0m m ( 需相应尺寸系列胎具相配) 长度l 。：8 0m m 3 4 0m m ( 竖直调整环节与气缸行程相搭配) 液压马达转速：1 8 0r m i n 6 2 0r r a i n 系统总功率：3k w 单件工时：5s 件 外形尺寸：6 5 0 5 0 0 1 5 0 0 ( m m ) 1 6 2 与竺鉴恐然列尺寸范围设定水平和铅垂方向尺寸调整量分别为 参照旋装式滤清器系列尺寸范围设定水平利借垂月i 叫v 。”“2 ”“ 5 0 r a m 、l o o m m 。 水平方向调整结构如图2 - 7 所示： 3 4 2 1 1 一固定板2 - 活动板3 - 调整螺栓4 一定位键 ， 一鬟燃然搿磊箍銎茹篙篙舫吼 调整曩揣三薹星蓑篙耗2 - 8 嚣裟嚣筹姜淼气里由调整 铅垂方向调整结构如图 所示，调整力纭与水平力叫4 日l 呵。4 。”4 3 图2 - 8 旋紧机铅垂调整机构 1 一调整螺栓2 - 活动板3 一固定板 1 7 图2 - 9 旋紧机压爪 卜一固定压爪2 一活动压爪3 一联接螺栓 2 7 定位压紧压爪设计 压爪采用可分离式结构设计，如图2 - 9 所示，左侧为固定压爪1 ，右侧为 活动压爪2 。两压爪通过两个联接螺栓3 联接。设计时考虑到滤清器的系列尺