扭矩控制

Page1SGMConfidential在汽车制造业中，将各种汽车零部件装配成整车的过程，需要很多种不同类型的连接，比如焊接、螺栓连接和粘胶连接等。其中螺栓连接是最重要的连接方法之一。螺栓连接的实质是通过将螺栓的轴向预紧力控制到适当范围，从而将两个工件可靠地连接在一起。为了确保螺纹连接的刚性、密封性、防松能力和受拉螺栓的疲劳强度，连接螺栓对预紧力的精度要求是相当高的,所以轴向预紧力是评价螺栓连接可靠性的重要指标。轴向预紧力的最低限是由连接结构的用途决定的，该值必须保证被连接工件在工作过程中始终可靠贴合。轴向预紧力的最高值必须保证螺栓及被连接工件在预紧和工作过程中不会发生脱扣、剪断和疲劳断裂等损坏。由于轴向预紧力不方便现场测量监控，现在主要是通过控制螺栓的拧紧扭矩来达到控制预紧力的目的,扭矩的控制可通过动态扭矩和静态扭矩两种方式进行监控。通过扭矩监控过程控制及Q-das系统的应用，可以在实际装配生产中及时有效识别出各类扭矩报警问题，也有利于追溯可疑发动机的相关信息并进行风险评估。通过不断调整扭矩监控控制线可以及时发现各种缺陷，优化生产线装配工艺。引言Page2SGMConfidential扭矩控制基本原理概述一、Page3SGMConfidential一、扭矩控制基本原理概述一、基本术语1)扭矩—施加于轴圆周上使轴转动并产生扭曲形变等的扭转力偶或力矩。2)动态扭矩—是自动拧紧工具在拧紧过程最终或扭转过程所得到的扭矩值，也就是在安装时用在线式扭矩传感器测量的值。3)静态扭矩—用手动拧紧工具对已拧紧的螺栓加一个顺螺栓拧紧方向逐渐增大的扭矩，直至螺栓再一次产生拧紧运动的瞬间，记录下的刚产生运动的扭矩值，该扭矩值即为静态扭矩。如:用扭矩扳手测量所得到的扭矩。4)拧紧—实际上就是要使两被连接体间具备足够的压紧力，反映到被拧紧的螺栓上就是它的轴向预紧力（即轴向拉应力）。5)动力工具：生产线上用于装配产品以控制螺纹紧固连接的气动枪和电动枪。气动枪：以压缩空气为动力源的拧紧工具的统称。电动枪：以电为动力源的拧紧工具的统称。电动枪又可分为单轴电动枪和多轴电动枪。6)标定—用扭矩标定仪（扭矩传感器和角度编码器）串接于电动拧紧枪之中，跟踪电动拧紧枪在螺纹连接件上进行拧紧的过程，从而确认其拧紧扭矩和/或拧紧角度在其规定范围内的一种方法。标定仪：一种标准扭矩控制仪器用来验证电动枪能达到规定的扭矩和/或角度。必须对其定期检定。二、螺栓连接件之间的力我们测量的是施加的扭矩我们想要测得的是夹紧力实际真正需要控制的是：夹紧力Page4SGMConfidential一、扭矩控制基本原理概述装配拧紧的实质是通过螺栓的轴向预紧力将两个工件（如缸盖与缸体）可靠地联接在一起，因此，对轴向预紧力的准确控制是保证装配质量的基础。通过控制拧紧扭矩间接地实施预紧力控制的方法由于受到摩擦系数等多种不确定因素的影响，导致对轴向预紧力控制精度低。此外，出于安全考虑，最大轴向力在设计时一般设在其屈服强度的70%以下，实际值往往只有30~50%。在拧紧螺母时，其拧紧扭矩M需要克服被旋合螺纹间的摩擦力矩和螺母与被连接件（或垫圈）支承面间的摩擦力矩，并使连接产生预紧力P，它们的关系为要想得到规定的预紧力，应进行大量的试验求出拧紧扭矩系数的实际值，通过以上关系计算，把一定大小的扭矩施加到螺母上就能得到，通过试验和数学分析得出，汽车用螺纹紧固件拧紧扭矩系数的平均值为0.284。Page5SGMConfidential一、扭矩控制基本原理概述三、扭矩与预紧力及摩擦系数关系从上图中可以看出摩擦系数,预紧力与最终扭矩之间的关系.如果螺栓强度最大,摩擦系数最小,则产生最大预紧力,反之,如果螺栓强度最小,摩擦系数最大,则产生最小预紧力.如果螺栓强度最小,摩擦系数最小,将产生最小最终扭矩,反之,如果螺栓强度最大,摩擦系数最大,将产生最大最终扭矩。(T=KF,K值随摩擦因数u的增大而增大)从上图中图示分析可知，生产现场使用的螺栓不能随便涂油，这样可能会导致螺栓预紧力增大而被拉断，同时螺栓也不能随便烘干，这样可能会导致螺栓预紧力降低，从而达不到夹紧要求。Page6SGMConfidential一、扭矩控制基本原理概述四、常见扭矩控制方法1)扭矩控制法（T）扭矩控制法是最开始同时也是最简单的控制方法，它是当拧紧扭矩达到某一设定的控制值Tc时，立即停止拧紧的控制方法。它是基于当螺纹连接时，螺栓轴向预紧力F与拧紧时所施加的拧紧扭矩T成正比的关系。它们之间的关系可用：T=KF来表示。其中K为扭矩系数，其值大小主要由接触面之间、螺纹牙之间的摩擦阻力来决定。在实际应用中，K值得大小常用下列公式计算：其中，P为螺纹的螺距，μ为综合摩擦系数，𝒅𝟐位螺纹的中径，𝑫𝒆为支承面的有效外径，𝑫𝒊为支承面的内径。螺栓和工件设计完成后，p、𝒅𝟐、𝑫𝒆、𝑫𝒊均为确定值，而μ值随加工情况的不同而不同。所以，在拧紧时主要影响K值波动的因素是综合摩擦系数μ。有试验证明，一般情况下，K值大约在0.2-0.4之间，然而，有的甚至可能在0.1-0.5之间。股摩擦阻力的变化对所获得的螺栓轴向预紧力影响较大，相同的扭矩拧紧两个不同摩擦阻力的连接时，所获得的螺栓轴向预紧力相差很大。另外，由于连接体的弹性系数不同，表面加工方法和处理方法的不同，对扭矩系数K也有很大的影响不同扭矩系数值对F与T的精度的影响分析左表可知，当拧紧扭矩T的误差为±0%时，螺栓轴向预紧力的误差最大可以达到±27.2%。因此，试图用扭矩控制法来保证高精度的螺栓拧紧是不现实的想法。此外，有试验比艾米娜，在拧紧发动机缸盖的螺栓时，用相同的扭矩拧紧，其螺栓轴向云尽力的数值相差最大可能达到一倍。扭矩控制法的优点是：控制系统简单，易于用扭矩长安其或高精度的扭矩扳手来检查拧紧的质量。其缺点是：螺栓轴向预紧力的控制精度不高，不能充分利用材料的潜力。Page7SGMConfidential一、扭矩控制基本原理概述2)扭矩-转角控制法（TA）扭矩-转角控制法是在扭矩控制法上发展起来的，应用这种方法，首先是把螺栓拧到一个不大的扭矩后，再从此点开始，拧一个规定的转角的控制方法。它是基于一定的转角，使螺栓产生一定的轴向伸长及连接件被压缩，其结果产生一定的螺栓轴向预紧力的关系。应用这种方法拧紧时，设置初始扭矩（TS）的目的是在于把螺栓或螺母拧到紧密接触面上，并克服开始时的一些如表面凹凸不停等不平均因素。而螺栓轴向预紧力主要是在后面的转角中获得的，由下左图可见，摩擦阻力的不同仅影响测量转角的起点，并将其影响延续到最后。而在计算转角之后，摩擦阻力对其的影响已不复存在，故其对螺栓轴向预紧力影响不大。因此，其精度比单纯的拧紧法高。扭矩-转角控制法对螺栓轴向预紧力精度影响最大的是测量转角的起点，即图中𝑻𝑺对应的𝑺𝟏(或𝑺𝟐)点。因此，为了获得较高的拧紧精度，应注意对S点的研究。扭矩-转角控制法与扭矩控制法最大的不同在于：扭矩控制法通常将最大螺栓轴向预紧力限定在螺栓弹性极限的90%处，即下右图中Y点处。而扭矩-转角控制法一般以Y-M区为标准，最理想的是控制在屈服点偏后。扭矩-转角控制法螺栓轴向预紧力的精度是非常高的，同样的转角误差在其塑性区的螺栓轴向预紧力误差Δ𝑭𝟏要小得多。扭矩－转角控制法的优点是：螺栓轴向预紧力精度高，可以获得较大的螺栓轴向预紧力，且其数值可集中分布在平均值附近。其缺点是：控制系统较复杂，要测量扭矩和转角两个参数，质量部门不易找出适当的方法对拧紧结果进行检测。Page8SGMConfidential一、扭矩控制基本原理概述3)屈服点控制法（TG）屈服点控制法是把螺栓拧紧至屈服点后，停止拧紧的一种方法。它是利用材料的屈服现象而发展起来的一种高精度拧紧方法。这种控制方法，是通过对拧紧的扭矩／转角曲线斜率的连续计算和判断来确定屈服点的。螺栓在拧紧的过程中，其扭矩／转角的变化曲线见右图。真正的拧紧开始时，斜率上升很快，之后经过简短的变缓后而保持恒定（ａ－ｂ区间）。过ｂ点后，其斜率经简短的缓慢下降后，又快速下降。当斜率下降一定值时（最大值的二分之一），说明已达到屈服点（Ｑ点），立即发出停止拧紧信号。屈服点控制法的拧紧精度是非常高的，其预紧力的误差可以控制在±４％以内，但其精度主要取决于螺栓本身的屈服强度。4)质量保证法（QA）QA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。虽然每一个螺栓的屈服强度不一致，也会给拧紧带来误差，但其误差一般都非常小。在ＱＡ法中所采取的测量螺栓伸长量的方法，一般是用超声波测量，超声波的回声频率随螺栓的伸长而加大，所以，一定的回声频率就代表了一定的伸长量。右图就是ＱＡ法的原理，由于螺栓在拧紧和拧松时，用超声仪所测得的回声频率随螺栓的拧紧（伸长）和拧松（减小伸长量）而发生变化的曲线并不重合，同一螺栓轴向预紧力的上升频率低于下降频率。这样，在用来测量螺栓的屈服点时应予以注意。Page9SGMConfidential一、扭矩控制基本原理概述5)扭矩斜率法扭矩斜率法是以扭矩-转角曲线中的扭矩斜率值的变化作为指标对初始预紧力进行控制的一种方法。该拧紧方法通常把螺栓的屈服紧固轴向力作为控制初始预紧力的目标值。该拧紧方法一般在螺栓初始预紧力离散度要求较小并且可最大限度地利用螺栓强度的情况下使用。但是由于该拧紧方法对初始预紧力的控制与塑性区的转角法基本相同，所以，需要对螺栓的屈服点进行严格的控制。该拧紧方法与塑性区的转角法相比，螺栓的塑性即反复使用等方面出现的问题较少，有一定的优势，但是，紧固工具比较复杂，也比较昂贵。五、螺栓连接方式及相应动静态扭矩关系1)硬连接：是指连接件硬度比较大，是刚性的接合面贴合好的连接，一般不存在扭矩衰减，可能还有扭矩反冲，螺纹副贴合后旋转角度30°即可达到目标扭矩;静态扭矩大于动态扭矩，主要是由于静态摩擦系数大于动态摩擦系数.2)软连接：是指连接件本身比较软或者是连接件中间存在橡胶件等弹性原件，存在扭矩衰减，螺纹副贴合后需要旋转2圈即角度720°以上才能达到目标扭矩;软连接：静态扭矩小于动态扭矩，主要是弹性原件存在扭矩衰减.3)联合连接：是介于软连接和硬连接之间的连接，一般不存在扭矩衰减或扭矩反冲;联合连接：静态扭矩接近动态扭矩.Page10SGMConfidential生产现场软硬连接动静态扭矩测量结果比较1硬连接：装配A线OP410凸轮轴链轮螺栓和惰轮螺栓扭矩衰减小，静态摩擦大，静态扭矩偏高动静态扭矩比较如下2软连接：装配A线OP480排气歧管螺母扭矩衰减大，静态扭矩偏底动静态扭矩比较如下：Page11SGMConfidential小结：通过以上硬连接与软连接的比较，同时结合现场情况，总结如下：1、在完全相同的拧紧状态下，硬连接与软连接所得到的最终扭矩是不同的；（完全相同是指同样的拧紧工具，以同样的转速，保持同样的稳定时间）；2、同一种连接方式，在拧紧工具的转速、保持时间不同的情况下，得到的最终拧紧力也是不同的；3、因为静态扭矩检测需要考虑进人为的因素进去，同时因为静态扭矩受摩擦力的影响非常大，而摩擦力的变化又是非常离散的，因此静态检测值会更离散一些；4、同时，对于某些角度拧紧的连接，静态检测只能检测其扭矩是否过低，而无法精确控制扭矩值。Page12SGMConfidential六、拧紧的概念拧任何机体均是由多种零件连接（即组装）起来的，而零件的连接有多种，采用螺栓连接就是其中最常用的一种，而欲采用螺栓连接就必须应用拧紧，因而这“拧紧”也就成了装配工作中应用得极为广泛的概念。零件采用螺栓连接的目的就是要使两被连接体紧密贴合，并为承受一定的动载荷，还需要两被连接体间具备足够的压紧力，以确保被连接零件的可靠连接和正常工作。这样就要求作为连接用的螺栓，在拧紧后要具有足够的轴向预紧力（即轴向拉应力）。然而这些力的施加，也都是依靠“拧紧”来实现的。因而，我们很有必要了解一些有关拧紧的基本概念。1．螺栓拧紧的基本概念（1）拧紧过程中各量的变化在螺栓拧紧时，总体的受力情况是，螺栓受拉，连接件受