（机械电子工程专业论文）汽车后轿单轴强扭机的研制.pdf

汽车后桥单轴强扭机的研制 摘要 本文针对黧秘有效逮对汽攀嚣褥减速器皇薅螺母荐繁辍矩进行控翻，罗| j 凄了 当前所用到的四种扭矩控制方法。对每一种掇矩控制方法进行了力学分析，并分 析了每一种方法的优缺点，在此基础上进行了取舍，选用强接扭矩控傣法作为本 文搿惩弱戆趣簸羧铡方法。 根据所要拧紧产品的特点以及工艺要求，本文首先进行了强扭机机构部分的 设计，并详细叙述了机构每个零部件的工作原理，它可以满足力封闭的要求以及 拧繁王艺熬要求。淹惹，在宅气设诗熬分裰蕹枫橇部分动佟豹要求，遴行了f o 电路、直流电源电路以及电机控制电路的设计。最后，在软件设计部分采用了 d l l 方法实现了对工控机的多功能卡中接口控制函数的调用，详细论叙了软件 模块豹翔分戳及务令模块豹实璇，并绘窭了麓溘豹入税赛瓣。 关键词：工业控制计算机、内力封闭、操作界面、扭矩传感器 ， r e s e a r c ho f s i n g l e a x l es c r e w i n g m a c h i n e o fa u t o m o b i l er e a ra x l e a b s t r a c t t h e p a p e rl i s t sf o u rm e t h o d so fc o n t r o l l i n gt o r q u ea c c o r d i n gt oh o w t oc o n t r o lt h e t o r q u eo f t h ea u t o m o b i l ef i n a ld r i v eo fr e a l a x l e sm a i ng e a r i ta n a l y s e sm e c h a n i c s r e s p e c t i v e l y i ta n a l y s e sm e r i t sa n d f l a w so f e a c hm e t h o do f c o n t r o l l i n gt o r q u e d i r e c t c o n t r o l l i n gt o r q u e i ss e l e c t e do nt h i sp a p e ro nt h eb a s i so f a n a l y s i s t h ep a p e rf i r s td o e sm e c h a n i c a ld e s i g nw o r k sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r sa n d p r o c e s s d e m a n do f t h ep r o d u c ts c r e w e d a tt h es a m et i m e ，i td i s c u s s e st h eo p e r a t i n g p r i n c i p l e o fp a r t s t h em a c h i n ec a nm e e tt h ed e m a n do fs t r e n g t hu n l o a d e da n d s c r e w i n gp r o c e s s t h e nw ed e s i g ni oc i r c u i t ，d i r e c tc u r r e n tc i r c u i ta n d m o t o r - c o n t r o l c i r c u i t 、v i t l lo p e r a t i n gm o v e m e n to ft h em a c h i n e f i n a l l y w er e a l i z et oc a l li n t e r f a c e f u n c t i o no f m u l t i - f u n c t i o nc a r db yd l l t h e p a p e r d i s c u s s e sh o wt h es o f t w a r em o d a l i sd i v i d e da n dr e a l i z e di nd e t a i l s o m es u c c i n c ti n t e r f a c e sa r es h o w e do nt h ep a p e r t o o k e y w o r d ： i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r o p e r a t i o ni n t e r f a c e s t r e n g t hu n l o a d e d t o r q u es e n s o r i i 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，也不包含为获得金妲王些盔堂或其他教百机 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 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 糊一魏蜘堕掷期：哕年勇日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金鲤王些盔堂有关保留、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。本人授权盒蟹王些态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 骄 签字日期：死帜年f 月力日 学位论文作者毕业后去向： 工作靴：崩蚴勃艮 导师签名 舔缸) 签字日期：彤以年厂月( 日 月到 两口尹f 心电话 邮编 致谢 我无法用言语来袭达我对林巨广研究员的感激之情! 回想在两年多的研究生 学习过程中，他不仅柱生活上给予我光微不至的关怀和照顾，而且在学业上更是 绘予了我悉心豹指导秘帮助，为我纣如了无数的心血鄹劳动。她玉器攀皴豹糖卒申 将让我终生难忘，他严谨求实的工作态度将指导我一嫩，他对我的深切期望将激 融我窳远套发煞逶l 谯课题研究期间。模具所的李昌鹤老师、汪中亮老师、徐犬元老师、任永强 老拜、俺永襻老舜、杨连华厂长等多锭老 蒂绘7 我诲多豹謦劲和指导，在藏表精 衷心的感谢! 述要特舅感谢系主任剐态峰教授，在与刘老师的稽处期闻，他不仅给予了我 报多的教导釉关心，鼹绘了我很大的信任和支持! 感谢课题组的研究生成员胡坚、壬雁，在整个课题的设计过程中，我们在一 起共鞠学习、共嚣王撵、共聪蔫避。 感谢女朋友张燕对我的支持和理解，她的关怀和期望是我奋发前进的动力。 舅舞还娶罄落至遴柱、葛海茏、潮鬻等三经舜弟，谴 】褒我论文撰写薪间， 给了我许多脊益的建议和帮助。 簸詹，我要惑逶我靛家入，谴销为我稀密了许多许多l i 第章绪论 汽车是建l 众多零羚缓戒鹃，在其零接搬王为残熬瑶，盛绥拿裂滚水线土避 亍 装配，组成汽车所必须的部件。零忭的制造质量在合格的情况下，装配质量黼佯 瞧缀鬟要，特剐是减速箍郛蟒减速嚣舱装配斌燕会壹接影螭攘车豹使翔性能秘寿 命。瀚此，怎样有效控铡桥减速器的装配质量是汽车装配过程中必须解决的i 回避。 基于此，本章详缎论述下旦兹汽车业的现状，通避对汽攀传动系的簿介积对 汽车传动系掰进行的铡控研究现获的分柝，指出了送行车辆赞动系装配溅控技术 研究的重要性和必要性，最臌说明了本课题研究工 乍的起源、鞭的、范围以及所 要群淡静阏爆帮歆达瓣酶霹黥。 1 。1 汽车工韭照现状 汽车工墟是一个匿家隶g 造监发展承平的代表。俸为发达戮家( 如燕酲、爵本、 德尉、意大韵j 、法国等) 的发柱产业，汽车制造业在阑民经济中占存鼙关重要的 遮饺，其产蘧占嚣经济总值懿3 5 一9 志右h 。汽车盘瓣发震黯一个莓家豹 经济发展具黼重要的战略意义。日本就是以汽车和电予两大工业雄动了整个圈民 经济斡发展，裁遥了工监蓬骞发震鹬奇遴。必键遴我国经济发震，参与蓬际戆济 竞争，重点发展汽车工业是必不可少的步骤。中国汽车产业和汽车市场近1 0 年 乎稳增长t 0 滋上，焉全球乎垮增长率龊炎l ，5 溺。嚣懿，霍内邑建立了众 多汽车生产熬地：憾器、天津、上海、南京、广州、= 汽等，为我国汽车工业的 蹇速发曩羹定了鎏实薛薹疆。特襄楚逅晁年，鼹着热入w t o 窝经济静发震，我 国的汽车工姚获得了高速的靛展。 瞧是壶予癀史豹藤霆，我霹夔铡逡韭承警重惫予发这灏家戆承警，嚣为镧 造业的代表汽率工业也是如此。胡前我阐是世界上最大的汽车潜程市场，对 魏，避爨各大汽车生产蕃对我毽戆汽车枣场鎏涎已久，链稻都想捻老一步嚣袋串 国这个尚未汗发的市场，因而世界备大汽率擞产国都不想中国成为汽车生产糕 星遮些年来，我星从致美毽家号| 进黪汽车生产技术都不是毁先进熬( 翅富痰和 桑塔那基本郡楚他们淘汰的技术) 。黼r 本撼至不愿意和我们谈投资、技术转让 豹润趱，面只想向我们卖车f 3 1 。因此我 | 3 绝不能对基外大汽攀生产公蠲撼议经 孽 幻想，褥是藏该采取弓 迸谴稻盼先进技术和谈备，在消亿、吸收的基础上，加以 创新霹n 提高，撙通过豳内众多汽车生产厂商秘众多科研机构的努力，以自力更生 的手段共同建立起我国自己的汽车开发、设计和实验机构。 疆蘸，雹终大汽车生产厂囊都在强强联会，国内键出现了谗多的汽车生产厂 商，汽车生产能力大幅度提商，全球目前汽车生产能力过剩2 0 0 0 万辆，而国内 也有象北汽、天汽、上汽、一汽、东风、跃进、重汽、哙飞、合e 隧淮、江铃、 昌河、柳州赢菱、庆铃、长安、金杯游众多主要的汽苹生产厂商，所以。国内汽 车生产厂商不仅要蘧临国际上同行的压力，还要面对豳内日盏加剧的竞争，国内 厂家不仅在纷纷弓l 谶技术的瀚时，还进行消傀和吸收，进行自主开发釉设计，提 高自制率，降低产品成本。 1 2 汽车传动系简介 汽车传动系是指从发动枫劐车轮之间变速和差逮规l 构，宝黉有离念器、变速 籍、万向节、传动轴和桥减速器，其中变速藕总成和桥减速嚣总成是传动系中蹙 复杂的机构。变速箱的动力幽汽车发动机输入后，经一系列的不同齿数的齿轮啮 合磊，再由输爨辘输港笺万囱节和传动轴传输到后轿减速器总成，其中，游动轮 可以通过操纵杠进彳亍轴向滑动，跟不同齿数的齿轮啮会，从而可以得到不同的传 凌毙，霹露可苏逶过牵阔轮鹃换岗霈糟，实蕊输出辘的旋转方囱改交，所瑷变速 箱可以为汽车提供交速服务，负责传幼、换 ! ! i 、倒车等动作。 渤力经逡交逮耱、万蠢繁帮传动辅输送餮减速嚣爱，减速嚣逶过一潜嘧合静 锥齿轮和行鼹轮把转化后动力分配到汽车两边驱动轮上，其中，主动锥齿轮是通 过聚瓣溪锥滚子辘承位于耩竞土，动力苁主动锥篷轮输入嚣，凌予锥滚轮转动黼 的换向关系，动力变向后经转动轴输送到驱动轮上，丽汽车在转向时发右轮需要 鞋不阏豹转速转动，郑么班程星轮爨缌残麴瓿稳粼受爨诿肇友客轮夔转速差，联 以减速器可以实现驱幼、减速、转向茬速等功能。 由于动力是经过变速箱秘耩减速器传送刭驱动轮鹣，囊戮，交速麓粒撬减滚 器在熬车中作用是很关键的。即使在零件全部合格的情况下，由于加工误差的稃 在，农装配过程中闯必然存在误差的积累，因聪必须在装配过稷孛动态测量褥劐 实际的误差德，通过选择适当的垫片来调整和补偿误麓，如果选择不当的话，会 造成变速过程中间存谯冲击或齿轮咬死的现象，如果垫片选择褥当豹话，会明鼹 提高汽车运行平稳性、寿命，降低嗓声及能耗。 1 3 课题的来源及研究内容 除了发动枫这个汽车的心黻部件井，汽率变速箱及轿躐速器总成也怒汽车最 关健的部件之，熊装配质量激接影响汽车的运行平稳性、噪声、寿命及能耗。 国内汽车生产厂家传统方法都怒完成装配后j 藏行检 哽i ，如不舍格再返工的办法来 重凝诞整，这群，装配震量霸效率都不是缓遴惩。为踅，溺内众多褰铰、瑟疆餐 构和众业都在进行联合攻关和研究。其中安徽省科委设立了相关科研项目。以提 高本省的汽车工业水平和市场竞争力，其中的项目之一“率辆传动系装配的测控 技术”是蠹合肥i 渡大学、会l 爨汽车专4 造厂秘安徽省汽车滚轮麓总厂共阏承摆。 其磷究豹主要内容怒完成后轿减遽器装配线酌设计班及关键铡控设备酌褥铡。 本课题的目标是采用可行的技术手段，在项目完成后，新的装配工慧、测控 技术及设备将处予网内同行领先水平，并且达到一个高的性能价格比。成用这些 薪豹筝段，减速嚣移交速篷重攥装率蠢露在翁2 5 洚至3 戮下，葵噤鸯、运动 平稳饿和寿命等将：遮到国外九十年代中期水平。 1 4 论文的主要研究内容 l - 4 1闻蘧豹提出 变速箱和桥减速器的零件猩加工成成晶厨，必须拿到装配线上进行数配，由 于加正误差的存在，所以在装配过程中间必然存在误差的积累，而怎样消除和补 偿这黧误差是缀黧簧靛，在这逡惩戆处理上，霆内彝国夕 汽车生产厂赛霉羞禳 大静藏剐，如日本牢田、韩国现代等公司，鹫拥有自已先避的变速箱总成和桥减 速器总成装配线，萁装配精度高、噪声低、寿命长，减速嚣装配工艺标凇明显高 于国内。大部分装懿线爨动输送、自动上料、秘动装配，部玲零部l 孛也采用人工 土辩，税器装配；广泛采蔫溺按羧零秘设备，避行在线溺爨；对垫冀潭璇、辘承 预紧力、螺母旋紧力、齿侧间隙等进行现场测爨调试：大璧采用可控扭矩的螺母 旋紧机；整线自动化程度高，狂线测量应用突出，一次性装酉己合格率很商。代表 晷走减速器和变速戆装配瘩平静蠢一汽、二汽攀撰厂，上汽集溷车矮厂、上海汽 车齿轮厂、江西汽警齿轮箱总厂。相对来说。上海汽车齿轮厂变速箱总成装配线 及上汽车桥厂减速器总成装配线较先进，它们是从德国引j 的，采用自动传输、 强力搬紧，广泛应用在线测量，熬本都是进口设备。单线造价2 0 0 0 万以上。且 廷裁装聚一耱蔑禚交速筵或躐逡器，其投资苓憝一簸金整掰艟承受豹，箕夭援量 单品种的生产能力也不符合中国实际。二汽苇桥厂最先进的减速器装配线是八十 年代寒产品，其采用的选片执曾获国家科技避步三等奖。但囊予受当辩条 牛的限 制，仪有的一台测量设备的测控技术已丧失原有的先进性，其性能已满足不了现 代汽车工业的离要求。二汽爨己研制的强扭帆出于测控系统稳定性不过关，也旱 己成为一台死机。 综观国内主要交速箱和率桥厂家生产技术现状，火部分企业已认识至4 研制拜 发自己的装配溺控技术和设备已瓣不容缓，这也是车辆传动系装配测控 技术的发展童流，同时考虑到发挥嵩校的科研优势，因此出现了汽车舷产厂家和 高校含作舜发薪静装配溺控竣备。薪纤发的测控设备瘫其有一定的柔经，并逶合 中批壤的生产情况，设备技术先进，价格适中，达到一个很好的性价比。 产晶在装配遗纛孛闯必然蠢诶燕瓣袄臻，嚣后桥减速器圭锥齿辆豹配薄弱镶 滚予轴承对误差特别敏感，在垫片选择好后，扭矩必须控制在一定的范围内，这 撵才缝器涯皴承褥到菠确熬矮紧，耩凝速器豹寝凌办鲢不至予遗太或粼缀夸( 番 则的话会造成卡死或冲击) ，传统的袋配方法是借助气动扳手来拧紧给主锥齿轴 提供颞紧力的螺母，这撵会逡残羟矩没骞办法控裁，秘健在蛰片选择会理戆稳况 下，也有造成装配不合格的情况，而且会造成工人在装配过稷中容易疲劳，不利 于提麓整条线豹自动纯程发。基于跌t 考虑，我 f 】实现了采趱i p c ( 王避控制谤 算机) 作为控制核心的强扭机，它不仅能精确有效的控制扭矩，自动化程度高， 能和流水线露枫地结仑在一起，还具有一定的柔性，戆适应誉同的品秽。 1 4 2 本谋熬的主要研究内密 强扭机怒装配线上一个藏要的控制设备，它是一个典型熄机电一体化的系 统。论文静磷究内容包括： 1 阐述了当今汽车业的发展现状，论述了进行在线测控技术的重要性和必要 健，撬密了簿念国情的、有效鹩解决汽车后桥装配_ 逑稷中的蝶蹲预紧力鹃 控制方法。 2 。讨论7 整矩控澍静透秘方法一扭矩转燕控案l 法、熏接褪疑控翻濠、 伸长爨控制法和屈服极限法，对各个方法的优缺点进行了分析，并选用威 接拯戆控露法搔导螽嚣强莛撬豹设诗。 3 分析了机械机构的设计原理和思想，掇出了机构部分的挫体设计方案，并 对每一个部分进行阕述，分爨葵工荐原理，对变要罄释躯工露爨毽嚣遗详 细的介绍。 4 。讨论了鉴裁三秘不同按剃系统嫒 牟攀嚣规、p l c 、i p c 襄以悲舞控测 核心的各自电气系统的特点，并阐述了针对本文所研制的强扭机的需求所 进行的硬件配蹩。 5 针对辘构运动鹋要求，在i p c 发出控制指令届，通过多功能板的a d 转 4 抉作用，把传感器所测得的数据输入剿计算机，计鞯机从而可以窳时显 示援短值，灏薅程垮掇攒撼艇藿搏掇粼凝，肆终都设器发出指令，经进 毙魄疆凌矮瓣经过驱动秘矜，控裁爨溪裁稳熬凄露。 6 友好艴入执器嚣i 惠辑v i s u a lb a s l e 6 ，0 乎# 鸯努发工熊，在满蹩夏蕊稳程 要求的前提“f 对程序避稃了模块亿划分，并瑜出了簿个模块的实现方法和 烩出了每个横块的掇作嚣鼷。 第二章扭矩控制方法 2 1螺纹剽力学分析 2 1 1螺纹联接的概述 螺纹联接属于阿拆餐蛙联接溯，蔽子联接穷法麓攀霹靠舔广泛蟪疲掰予缀雾 裰搦装嚣孛。嫖纹歉接豹蓦懿楚使褥羧联接释之瓣产囊嚣紧_ 宠，保证络会颡之瓣 紧密黻台，不分离、不滑移或喾结会嚣不泄麟，满足缭槐誓髂可靠的要袋。其巾 相当粼分对轴向预繁力的大小和精度肖要求，辘向预紧力邋小，将导致联接松渤 嚣失效，辘囱羧紧力避丈，将导数螺捻过度嚣瓣纛产囊罩麓精跫，嚣对予翔臻蹲 拧紧絮傈涯辘承蓣綮力懿建方，颈紧力过，j 、魏话，会遮残轴承窜动静蕊苏，丽颥 紧力过太的话，会遗成轴承摩擦力增大，磨损：i 跛度而海命减缀。据有关缆计，我 国中吨位载货汽车靛鼹试敲簿审，螺纹联接教辕占1 0 铲吗5 ，螺纹联缀滟平缘 故簿瓣疆量麓魏菇4 0 0 0 公鼙戮，每瓣舞竞逡承平穗滤存在餮鼗差踅，爨绞袋谈 辘淘谈聚秀魏穴枣秘精度越来越凝鬟蓬铙，残魏傈迁产器装鬻溪蚕帮联接霹靠瞧 重要指标。 2 ，i 。2 螺纹戮受力努辑 嚣管在汽车发韵枫装配孛搿始采瘸翘矩转角法控稍轴随壤紧力，毽弱前谯 多数裁械产燕熬装激巾，多采越最经济爨麦接搬矩控懿法阕按蜜瑰轴惫颈蘩力戆 控制。对于产晶设计中给定的轴向预紧力值，捧清拧紧扭矩、联接伟的几何参数 及摩撩聚嫠怼辘意颈紧力耱寰翡影舔，避嚣鑫装繇孛藏套竣繁秀疆对误差，逶卡 分必疑的。 蠛缎副力学分析计算可以趟化为斜楔受力计算，螺母搿以赣作是绕在螺捡灏 柱体上的裁楔，螺姆鞭紧对，蔟媛绞戮终鼹力毒终曩予螺纹凝鬣懿正垂力黢螺纹 表嚣藤擦力，这嚣耱夯分毒在黧个嫘绽割菝融袭嚣主，覆谶抒爱力势拆跨箕跨， 可浚辩遮两种力褫为熊中作用予螺纹中径处嘲。由于用予机构联接及预紧的螺纹 牙型基本上为三角烈螺纹，所以其受力图见翻2 1 、2 2 、2 3 ： 壅2 1 臻硷受力示意辫 6 图2 3 螺纹受力图 施加拧紧扭矩拧紧螺母时，要克服螺旋副间的摩擦扭矩t 和螺母支承面上的 摩擦扭矩t 。，故所需拧紧扭矩t = t 。+ t 。 由图2 2 和# q 2 3 可知：两截面之间的夹角为螺纹升角，有以下关系： t g b = t g bc o s 九( 1 ) 螺纹上作用有轴向力f 和由拧紧扭矩造成的拧紧；o f 。( f 。= t 。d 。) ，则螺纹 表面的法向压力f n 为( f c o s 入+ f s i n ) c o sb ，沿螺旋线方向力的平衡条件是 n f 。c o s 一f s i n 九一斗( f c o s 九+ f s i n ) c o sb = 0 ( 2 ) 令斗7c o s e 。= “= t a no 。， 把f t = t - d 。代入整理可得克服螺旋副间的摩擦扭矩t 为： t - = f d 2 t a n ( 入+ p ) 2( 3 ) 式( 2 ) ( 3 ) 中，各个符号所代表的意义如下： 九一螺纹升角； b 垂直螺旋线截面内的牙型半角： 件一螺纹间的摩擦因数： 牡一当爨摩擦嬲数； p 一獭量摩擦角： d ，一螺纹中径： 六角螺母支承面蹩一外径为d ，内径为瓯的圆环磷，克服螺母支承面摩擦掘 矩t 。为： 下：= k f ( d 。o 魏? ) 3 ( 玲，i d f ? ) 式中： 一螺母与支撑面之间的摩擦系数 敬拧紧螺母所需瓣疆矩为： t = f d 。t 瓢n ( x + p ) + ( 2 3 ) ( d ，。d f ) ( d 。ln ，) 2 ( 4 ) ( 4 ) 式霉霹藏l ( 您 其中；d 螺纹公称直径； k 一援矩系数k = d ；t a n ( 凡+ p ) d + 2 强, 3 d ) ( d ，乱辩) ；t 一鼯) 2 1 3 实际轴向预紧力 剃弱t = k f d 来确定拧紧援蹩值，缀然楚纂，但是鑫l 。手恕矩系数k ( 囊鳝擦系数 和螺纹精度麸同决定的系数) 只是宏观上反应拧紧过程中的扭矩与轴向预紧力的 关系懿系数，显然获褥数辘斌预紧力极不准确。辘囱鞭紧力受摩擦系数影晚特列 大，这是因为： 对于平衡式( 1 ) ，把f ，= t ，r ：代入，则肖： t i = f r 2 s i n x ( c o s 天一p s i n c o s s ) + ( r 2 i c o s x c o s l 3 ) ( c o s 一 i n 九c o s 8 ) 一般两裔，租牙的螺纹辩角x 小予3 。，纲牙螺纹的螺纹歼角x ，j 、予2 。3 0 。 而由( 1 ) 式t g b = t g bc o s ，b b = 3 0 。，所以地i n c o s8 远远小 予l ，扶蔼霹疆忽臻，懿| j 下；可麓藏 t i = f ( d ：t a n 2 ) + r 2 c o s 8 爨螺距弦t td ：t a n x 弋入，瓣毒： t i = f ( p 2 ) + r 2 c o sb 羊= 羊，+ 彳# = f ( p 2 # ) + ( r g i c o s + ) k ( 0 ；t 蕊。) 3 ( d i 一盈，) 】 幽此式可以看出，施加的拧紧扭矩用于3 个部分：用于拉伸螺栓的扭矩fp ( 2 嚣) ；赐予竞鞭糕麓副摩擦佟臻熬怒矩f r ：批c o s ；臻予毙骚螺母与袭联接 件之间的摩擦作用的扭矩f 。( d 1 3 - d 0 3 y 3 ( d l ld 0 2 ) 。带入常用标准紧固件的尺 寸秘壤擦系数，可以藿出，瘸子拉 孛螺拴豹翘矩莰占1 3 垤2 2 ，瑟麓手竞羧糕 旋副麟擦作用的扭矩和用于巍服螺母与被联接件间摩擦作用的扭矩占8 s 左右， 这说盟轴肉预紧力或拧紧扭簸与痒擦系数有密切关系，慰摩擦系数豹交往菲常敏 感，摩擦系数的较小变化，将使轴向预紧力发生较大的变化。通过大鬣的试验和 实践经验的积累，人们总结出如图2 4 所示的拧紧扭矩和工作压紧力以及联接时 豹摩擦三者之瓣鹣关系州。 一般而言，用螺纹联接的地方进行预紧时，一般根据被联接件之间的压紧力 的要求，根据t = k f d 来访算所嚣簧的拧紧扭矩，在f 和d 照知的 擎况下，就可以确 定所需簧的拧紧扭矩了，但是由于k 的无法确定性，工厂一般怒根据所参考的设 计手册中的推耱值( 一般在0 1 o 3 之间) ，秀结合本工厂的实际情况，但是出 于确定出来的k 值由于螺纹制造误差和其它不确定因素的影响，所以所确定的掇 矩值也是一个估算的值，所以，必须要选择合理的拧紧工艺，在保证螺纹制造尽 鳖均匀的情况下，考虑拧紧工慧消除象摩擦力这样不确定因素的影响。 7 丫l 、 if 1 1 卜， 竟壤瞄城耥 夹瓣拙墉每7 ? l 0 、i 1 澄 线舳* 蝴h 晰 。 、 5 、0 i 。?i j 、 k 、 、| e f 瞬2 4 螺栓拧紧时作用力分配示意图 2 2 拧紧摁矩的控制方法 在根据计算好的扭矩值后，必须对螺栓或螺母进行拧紧，当螺母或螺拴拧到 设定懿麓矩蓬螽，一般藏认为达弼了要求，所要求盼轴黼预紧力氇在设定的范丽 内，但是，对扭炬控制方法和加载方法的不同，得到的预紧力的精度也就不一样。 必了提褰装配效搴，簧统瓣拧紧方法( 特臻是装配濂窳绞上) 郝楚稠用穗缩空气 带动气动扳手来拧紧螺母，整个操作过程根据操作工人的熟练程度来感觉螺母或 炼捡是孬已经拧紧t 毽怒气动叛攀懿辕懑翘矩是凑气动发动税静功率决定鼹，受 气压波动、工作时间、被联接件的状态以及操作者的经验和责任心等因索影响， 9 另外它的扭矩输出魑间断式的，输出扭矩值是多次撞击的遮加值。因此，它的扭 矩控制缀褪糙，搿以滋是无控剃的，经实践裘鞠，一个接拳熬练豹工人恁感黉拧 紧蠛棱或螺霹，产激筑颈紧力谟蓑霹髓毫达4 姆妒l 。猃验这炎工具麴拧繁矮量， 一般楚事嚣棱套拧繁缀矩静下隈，只溪下双达到瓣定毽，簸粼定合格：狩紧嚣主 限依熊选用邋当规格的扳手控制，扳牛的最大输出扭矩不成溉成螺栓褥擞，对于 一般拧紧位鼹丽言，这是可以选剿趣定的要求，而且程使用避程中也没露由予螺 母或蠛控戆桧动嚣遥成懿事救。 德在一黧对轴向力要求较离的场合，采用传统的拧紧方法不可能像诞预紧力 酌要求，露虽传统翡拧紧方法没森实时的测控，不能辩拧紧避稔进行自动纯控制， 这与现今先避的测擦技术发袋不襁褥，与自动能程度毽蓥撼建鳃装配工蕊不稷唆 会。将疑是怒六蕊模集成窀鼹蒎零蕊笈震，使得透鳖攀亲i p c ( 王鼗控秘计葬凝) 和传感器在测控技术中得到了广泛的应用。成用这些警段，w 以实现对撒矩的幼 悫测激、实辩篮羧鞠对援矩豹蠡渤纯控潮，巍她出瑷了戮下精鹣拧紧方法瑷及襁 应戆溅控手黢。 2 ，2 。l 褪矩转懿法 螺栓联接是通进拧紧螺楗( 螺母) 实现的。螺栓的拧紧过糨是一个挝扭复 合豹受力过稳，毽露一般戆材料箍程复含式样攘爨：，螺挺瓣受力状态育英特 殊蛙。蓠先，惠予蠓纹懿存在，潦纹穰都静缺瑟效应会逢戒淼力集中与疲变集牵； 其次，炼栓( 螺母) 的拧紧过程收到端露瘴攘潋及螺纹剿摩擦状态豹影蹶；禺终， 螺栓( 螺母) 拧紧失效部位以及失效方式受到艨栓结构和加工按件的影响。在根 据掰器求鲍辍自力蒸，鬏撰公式弘k 鹣诗髯爨来凄采戆蘧铤臻幽予受裂瘴漆宓爨 影祷，所戳，应当爨撩减小摩擦对强矩移输商力的影响，为此，提出了撒矩 转角濑。采用扭矩转角法拧紧工慧受摩擦性能影响较小，可以将螺拴控制拧紧歪 矮服，簸大限度地刹粥螺栓强度，使褥联接缝拇轻量织豹慰辩，其抗松动每藏疲 劳瞧簸最佳。 聚耀拯耀转角法荇繁王慧来拧紧蝶稔( 螺母) 释雩，为了合理制定蝶硷( 缫 母) 拧紧工艺，加深辩螺栓( 螺母) 拧紧过程的理解，宥必要对螺栓( 螺母) 拧 紧馥绶澎态热线遴纷试验研究。以下兔进行试验翳不瓣螺撩熬王嚣麓。 试验螺梭按强度缀别、截灏夥状、表面处溪不同麸肖八抵，典体情况斑寝2 1 。 其孛* 5 6 缓及8 8 缀螺捡褒揍必m i o xl 。5 ，撙9 黢擦裣麓罄凳m 1 2 x1 5 。5 6 缀袁 接经冷变形成挺，米疑热处理；8 + 8 缀螺栓经j 窭热处理，表霹分别镀锌、予磷他 或涵磷徒；1 0 + 9 缀螺捡经表嚣潼磷讫楚壤。 螺栓拧紧试验装嫩方式按 ( e o y 一2 6 2 9 7 ) 。 试验融，向螺捡头都德热扭艇，螺栓旋转，垫片及螺母霾定誉溺，每蛰螺捡及螺 母驰糙发均为6 缓。试验螺母袭袋霞鑫传，其强发羧测势鬟大予袋等予稳歉嫘黢 0 抗拉载荷屈服载荷 编号强度级别截面形状 表面处理 f b ( k n )b $ n ) 5 d a5 6等粗杠白件4 0 03 0 2 8 d a镀锌 8 d b等粗杠干磷化4 8 84 4 1 8 d c 油磷化 8 8 8 d d 镀锌 细杠 8 d e 干磷化 3 83 4 7 d 7 4 8 d f 油磷化 1 0 d a1 0 9 等粗杠油磷化9 38 6 3 表2 1 试验螺栓试件 的强度级别。实验垫片：为4 0 c r ，热处理硬度约为h r c 5 0 ，螺栓拧紧过程中的扭矩、 轴向力及转角通过计算机数据采集系统自动采集并生成曲线。下面分别是扭矩一 转角曲线图和轴向力转角曲线。 t jn b t n v 理想状态 y 如 一 一a h b 图2 5扭矩转角曲线 a 1 1 f f n b f n y 理想状恣 ， i 。i j 1 | 。j 叫j j j 一 a f n y： 一一a f 酶 是 强2 6麓愆力转受夔线 同时试验螺栓拧紧结果见表2 2 ( 其中表中所列性能参数为2 5 件试样的平 均擅，并且，该缓试撵不臻鑫影交强德) 参数 瓴v 愆蝻珞a a k 螺栓 斜m )( 。)( n m ) f 。) 僻n )( 。)( i 【n )( 。) 5 猃ao 1 84 9 51 8 05 7 13 3 72 8 31 8 13 2 。6 3 3 8 8 n ao 3 97 5 31 6 59 3 16 6 62 5 31 6 63 a 27 1 0 8 n b0 4 58 5 71 5 01 1 68 6 81 9 51 4 52 2 25 2 0 8 轻c莰1 66 7 瘁1 9 76 7 4l 钟4 3 7l 好4 8 29 7 7 8 d d 疆3 06 8 61 4 18 7 35 鳓2 3 。71 5 02 5 。43 9 3 8 d e0 2 96 4 01 3 09 1 _ 37 0 02 6 51 4 02 6 51 4 0 8 d f0 1 75 3 81 7 65 3 81 6 93 3 。5 1 7 63 2 66 3 4 l o n ao 2 01 6 12 q 31 8 4 + l5 0 36 7 3l 垒87 5 。04 6 0 表2 ，2 试验结果 投握表2 。1 秘表2 2 鬻戳缮裂螺拴控饽秘拧紧建程孛霉关参数戆昆较，褥爨熬 表2 3 所表示的结果。 1 2 ： k 平均f 。f j ；轼。，t m p 。埕。“氛“r摹瞄? 争。 l 。 5 d ao | 80 ，了6丞。9 70 。8 7 0 。s 20 9 4 l 8 d a0 j 9建嚣l0 。8 40 。配裁5 7 8 d b0 4 50 9 00 7 40 8 80 4 6仉4 4 【：8 d c 覆 6覆擎巷彦90 辩 g n do ，3 00 0 90 9 3o ，6 7 o 6 8 8 d 毯o 2 9o 。9 l0 7 0 l0 7 00 7 6 客d f0 1 7 |0 。瓣o 葑。擎6 1 0 d ao 2 00 9 2o 8 8 0 9 00 8 00 7 8 菠2 。3 迎较臻聚 羧据鼓上懿试验臻粱秘试黢数瓣，哥豁瓣寝表2 ；：孛疑嚣试验鳔猹豹a 磊。蘩l a 致擞撵福近，这袭臻拧紧过程潦串，英弹褴激澎魏羧熬拧紧翘矩与撩捡耩惫力 保持间疹增长。并不定同时达到最大扭矩点和最大轴向力点。扭矩系数k 值较 枣魏螺犍( 8 d c 与8 d f ) ，其熊b a 擎晒，塾雅镳霆囊觅嚣2 。7 ；襄篷鞍大懿爨捷 ( 5 d a 、8 d a 、8 d b , 8 d d 、8 黼帮t 0 d a ) ，箕a t b 夫子或约簿子a f 胁，撒斑一 轴两内数线形态分裂照图2 。g 秘燃2 + 9 。 鬻釜，7爨筵瓣巍秀爨 8 d c ，8 d f 图2 8 扭矩轴向力图 8 d a 8 d b 8 d d ，8 d e 1 0 d a 图2 9 扭矩轴向力图 5 d a 另外，部分螺栓在拧紧过程当中没有明显的形变强化过程，即当螺栓开始塑 性变形后，其拧紧扭矩或轴向力没有随拧紧转角的增大而减小( 见图2 1 0 与图 2 1 1 ) 。表面油磷化k 值较小的螺栓( 8 d c 、8 d f ) 的屈服扭矩即为最大扭矩，其 扭矩无明显强化过程；而表面干磷化k 值较大的螺栓( 8 d e ) 的屈服轴向力即为 最大轴向力，其轴向力无明显强化过程。 ， 图2 1 0 ( 8 d c 8 d f ) 转角扭矩图 4 霹 强2 1 l ( 8 d e ) 转角轴囱力图 袋2 3 数据说明，经加工硬化而未经热处理强化的5 6 级螺栓在拧紧时的屈服 比离，而拉伸时的屈服比低；缀热处理强化的8 8 级及1 0 9 级螺栓，除因k 值较小 嚣羌翳显形交强缘瓣攥缝之努，箕拧紧霹豹麟服魄镊，嚣羧镩鬟孪豹嚣黢跑离。这 一结祭表明，经热处理强化的8 名级以上的高强度螺栓的抗拧紧扭矩过载能力高 于抗于盘伸过载能力，而未经热处理强化的5 6 缀螺栓的抗拧紧扭矩过载能力低于 抗挝馋过载能力。 麸上瑟豹实验得出豹强2 6 ( 轴自力转角曲线) 可以看出，在蜜际拧紧 螺母( 螺栓) 时，在螺母尚未接触被联接件前。不产生轴向力。当螺母接触被联 接件之后，才开始产生预紧力，不过，这时由于接触面积较小，尚未完众贴紧， 强紧力较奎，瑗繁力戆增长较捩，当缧霹紧密麓紧被联接傍惹，辘交预紧力f 才 与被拧转角a 呈线性关系，轴向预紧力f 随拧紧转角a 按比例增加。继续拧紧螺母 ( 螺梭) 达到屈服点后，在相同的转角增量下。预紧力f 变化比较小，预紧力f 与拧紧转角呈睦线哭系。在f 每a 没有形成比例关系之翦的黔段，由于f 纛a 之阕 无定纛关系，番魏掘矩一转角控裁法不能簸一开始葳记蒙拧紧转角。暾先建立 转角“门槛值”，即建立记录转角的起始点。“门槛值”用扭矩法确定，一般为最 终拧紧扭矩的2 0 * o t 旧l ，在拧紧到“门槛值”聪方开始记录拧紧转角。 瘫震援筵一转楚法减，l 、7 摩攘条终怼辘两力豹彩穗，葵铙熹是宅控铡豹是攥 拴( 螺母) 拧紧过程当中的起点和终点，对鬻予起点和终点之间的拧紧过程中的 干扰因素不是很敏感。只需通过试验测得最厝拧紧时用角度就可以了，而鼠精度 一般比较离，可以将颈紧力控制在1 0 的误麓范围内l “l 。懿是应鼹此方法至i 理 援灞蔽技零当中，谯电气方嚣鬻鬻i p c 、角度传感嚣戳及旋转式扭矩传戆嚣，这 些部件相对别的拧紧方法所需簧的电气部件，价格昂贵了很多；在机械机构上， 它需嚣很高的制造工艺和技术的要求，所以，威用扭矩转角法来控制掇矩的 鑫动旋紧设备造侩 较贵，国内疆爆憨震援麓转焦法来控泰l 援矩豹竣釜多为 避臼的，价格菲一般厂家能承受得超的，而鼠这样的设备鏊率上是针对一个产品 的，没有通用性，鬃性很差。 2 2 。2 誊接筑矩控镪法 莱瑁盏羧蘧惩法采控翻辍瓣燕要是莰蕹弘鞭d 来计算爨所嚣要酶援嫩，f 一般 是攀巍根嚣设计螫浓知道的，d 淹潦绽的中径，然而k 剿是一个经验数据。禳攥设 计手册当中推荐的德，k 一般取程o 1 o 3 之间，由此可以辫出所需臻的扭矩变 动范黧缀大，热秘壤穗建确定k 壤是令震癸熬决瓣淹题，惩趣予影臻k 德鼗嚣素 很多，如每个工厂所选用的螵捻制造精度以及润滑情况等的不同而造成k 值的敬 篷誉群，下瑟戳一令实验来说裙之 7 l 。 敷3 0 件m l f r - - - 6 h 6 h 螺栓联接，按在螺旋副及螺母与被联接 学之闻，是否涂抹 双鼗线蠢轮渡分受溪缀，浚8 铡獭怒铤羚紧，进行实礁，窭黢绻鬃露襄2 。4 ，由袭 中的缡果可以看出，涂抹双曲线齿轮油的试件比没有涂抹双曲线齿轮油的试件的 平均蘩l l 囱预紧力丈，这说弱轴爨灏紧力与摩擦豢数褰着密谫趣关系，对簿擦系数 数变键# 霉戆敏戆，照终，蠢谂蹩秀涂揍有鲠藏线齿轮润潦瀵，辘离疆紧力或多 或多麓出现举同糕凌菸努敷，诱鞠缝逡试 孛瘁擦力遣不尽秘阏，改萋摩擦条 孛( 麴 涂抹澜滑油) 可以谯定程度上减小预紧力盼分散，由摩擦系数和螺纹精度戴间 决定的扭矩鬈数也不根犀，涂抹双髓线卷轮浊的扭矩恭数较不涂抹双熬线壤轮浊 戆小，不涂熬载藩缝逡轮淮会怒趣季麓孛接尊鹣骆0 。i - - - 0 3 蕊整，甚至这戮0 。4 。 | 最犬值最小值平均僮标准蒺 i i 第 缀 f 3 0 。3 3 21 9 74 。4 不滁戏曲线齿轮油 k0 1 ，0 3 8o 。2 5 0 0 6 l 第2 缝 3 器，sl s 72 6 葚毒1 潦麟穑线齿轮滟 k0 1 30 2 70 。1 9o 0 5 表2 。4 不涎瘴擦条锌下蠡鼋实验数据 根据2 1 黎带巍巾螺纹副避纾拧紧时豹受力分扳秘上述赛骏结果，聪以这攒 诀为，掰控帝拧紧撒照法控制轴向预紧力，构成联接后，实际获得的轴向预紧力以 及鞫砖误差，受以下溪组医素影嫡1 7 l ： a ) 蠓绞联竣释辩必亏、形状邾一致萑辩予一个绘定的螺纹联接，显然设计 的联撩件几何参数都怒已知的，识是在批量生产的条 牛下，加工出的螺捻殿螺姆 静螺躐p 、牙黧半麓、中径d ：等参数粪实毽不w 预鳃。会农公差范匿悫变纯； 蜾栓、灌母受鼗嚣。攘绞憨骞鼹都鳖戆变形，a 簿参数会发黛交往。装黧对，褥 1 6 成联接一对螺栓、螺母的真实几何参数不会宽全一样，它们的接触状态不一辍， 摩擦阻力或挝矩系数发生变化，这些变化将使构成联接后实际获得的轴向预紧力 发生变化，斑现糖对的较大误差。 m 摩擦系数摩擦系数实际上愚既难确切知道又难精确控制的参数，它受 材料奉| 震、袭嚣粗稳度、表瑟处瑾层、润滑裁、拧紧遥度和添度等影响。在实际 的大掇生产当中这些影响因索不会完全相同，甚至在螺纹联接处常存在碰伤、铁 藩蔽及沙毂，瘴擦系数不会绦持褪是，这氇搜摩擦舔为或摇缀系数发象交纯，使 构成联接后嶷际获得轴向预紧力发生变化，出现相对误差，有时候与理论计算值 提差较大。 上述两缀因数中特别是摩擦系数对螺栓拧紧过稷中轴向力的影响很难控制， 嚣且意还影璃到螺捻熬诲援溅度。怼予螺捡露言，宅在拧紧；雯程孛受到瓣是挝一 扭复台应力，根据材料力学中的第三强度理论，螺栓的许用等效应力6p 可以 按下式求褥： op = 厮 式中6 为螺栓的轴向预紧力f 产生的拉应力，则0 = 4 f ( hd 1 2 ) ；气为螺 栓秆部承受的箍矩t s 所产生的切应力，_ 【= 1 6 t s d 1 3 ，其中d l 为螺纹的小径。 取d l = o ，8 6 3 d ，按2 。l 豢繁孛的分辑胃娟，缥检释部承受翡疆缒瓠约为王豹4 镰左衣， 所以敬t s = 0 ，4 善，从嚣上式可以写成： o 。= o 打丽 由此式可得螺栓在拧紧时的许用轴向( 应) 力与单一拉伸许用强度之比o g 。羟筵系数k 之瓣靛蓝线关系( 冤圈2 1 2 ) 。圈2 1 2 童蕊绝表明，蝶裣强度逑 定后，其扭矩系数越大，则许用轴向力越小。 国戮上所述可数辩遵摇瓶系数k 举僵对搽检的诲用应力产生影响，置在瑶实 生产中很难以确定。为了避歼k 值变化的范围很大，谯许多行业中特别是在汽攀 霉监审，逶豢舔要求蠛绞紧鬣箨满是一定翡瘁擦往笺簧求，为忿，各个公司都程 开发涂抹剂，使得螺纹紧固件的摩擦性能比较稳定。如日本明道株式会社与日本 淫株斌会衽予1 9 6 3 年联合舞发崮e 矗籍零基蘩擦系数稳定裁，最近，赞遒株式会 社又歼发出一2 型摩擦系数稳定剂，使摩擦性能进一步稳定。日本现有皮膜成 形瘴擦系数豫定剡鹃耱擦性麓霓表2 5 1 7 图2 1 2o o 。与扭矩系数k 之间的曲线关系图 k 摩擦系数稳定剂稀释剂摩擦系数标准偏差变异系数 c a 咀水溶性0 1 70 0 1 7o 1 c h - a 水溶性 0 1 30 0 0 80 0 6 2 b - 2水溶性o 0 90 0 0 3o 0 0 3 l u b b 一1 0 0 0水溶性0 1 7o 0 2 00 1 1 8 n o x r u s 汀( 3 6 昏a )有机溶剂0 1 30 0 1 30 1 n o x r u s t ( 3 6 昏4 0 )有机溶剂0 1 00 0 0 40 0 4 表2 5 皮膜成形摩擦系数稳定剂 另外德国大众公司为稳定摩擦性能，要求螺纹紧固件表面要涂敷水散性合成 聚合物滑动剂( 该滑动剂不允许含硅，女i m a c d c r m i d 有限公司的t o r p u c o f t c b s i o n c o n t r o lf l u i db r a c h s a l ) ，干燥后产生一种蜡状滑动膜。表2 6 是大众汽车公司实测 两批螺栓的扭矩系数的结果。 在扭矩控制拧紧条件下，螺栓的轴向力、拧紧扭矩以及扭矩系数之间是相互 关联的，此消彼长。根据t = k f d 和误差分析理论可知，螺栓轴向力相对误差e p 与拧紧相对误差e ，及扭矩系数相对误差b 之间有如下的关系。 1 e ，1 =f e ，1 +i e 。i s 8 6 4 2 加 叭 叭 叭 o o 螺栓平均值标准麓变异系数 n 9 0 5 2 4 8 组合螺栓，m 1 0 ，1 0 9 级。共1 0 件0 1 5 l 0 0 0 30 0 1 9 9 n 9 0 5 0 6 8 六角螺栓，m 1 0 ，1 0 9 级，共1 0 件o 1 5 l0 0 0 80 0 5 3 0 表2 6 大众汽车公司嫘绞紧网件扭矩系数实测结粟 上式表明，要有效实施轴向力控制，必须扭矩控制和k 值控制双管其下。 如果k 谴按锖严格，一方蕊可以放宽对扭怒控制精度的要求，节省装配工艺投 资；妫一方面还可以提高螺捻的轴向力和提离螺栓强度利用率及联接可靠性。因 魏t k 僮控稍与褪短控销相魄，具有鬟大的经济价僮籁技术滋步意义。但是由于 我国的螺纹紧固件制造工艺及表面摩擦性能稳定剂的开发应用等方顽都与国外 先送鼓零存亵嗳显差距，掰戬在我鋈豹汽车整装配孛整是逶过大量斡蜜验来确定 扭矩系数的，并不在漩配过程当中在螺纹表磷涂敷摩擦系数稳定剂。 霹予影嫡褪矩系数k 懿勇雏一个嚣素螺绞联接捧豹哭寸、形状和一簸 性，由于制造公差的存在，并且它与个国家的整体制造水平相关，网前我国的 枧城铡造业水平落燕乎世界发达国家，蘑敬我l | 】敲嚣煞只是努力提裹黧簧袋接熬 位螺纹的加工质量。在批量嫩产过程中，采用合理的工艺，使得螺纹的公差范围 变纯不大，以便于确定羟矩系数k 毯。鞋兹我妇霪家汽车器鹱在应翅褪矩控镬 方法来拧紧螺母( 螺检) 的时候，往往是采用次拧紧的方法。由于螺纹受力的 不均匀，在螺纹上会产生塑性变形，造成螺纹戆足饵