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力矩法、轉角法上緊螺栓力矩可靠性分析
________________________________________作者 ：黃　偉，陳家權                更新時間：2008-2-13



（廣西大學機械工程學院　，廣西 南寧　 530004）

摘要： 采用螺栓聯接零件，螺栓的預緊力是衡量螺栓聯接可靠性的重要指標，為了使螺栓達到所要求的預緊力，目前普遍采用力矩法和轉角法這兩種上緊螺栓的方法。利用超聲波測長儀，可以測量出螺栓擰緊前后的微小變化量，通過計算可得到螺栓的軸向預緊力。實驗表明，力矩法擰緊螺栓，軸向預緊力較分散，不好控制，而轉角法擰緊螺栓，軸向預緊力較集中，也就是說，轉角法能夠很好控制螺栓的預緊力，可靠性要優于力矩法。
關鍵詞： 預緊力 ; 可靠性 ; 力矩法 ; 轉角法

引言
在國內的一些發動機制造行業中，對于一些高強度螺栓，如主軸螺栓、連桿螺栓、缸蓋螺栓等，都是采用力矩法來上緊的。即使用擰緊工具如定力扳手、電動擰緊機等，將螺栓上緊到某一設定力矩即可。這種上緊螺栓的方法，已長期得到廣泛使用。在某些企業，上緊螺栓力矩工藝更加復雜，先是用ATLAS扳手將螺栓上到某一力矩值，再用人工復緊到工藝要求設定值。這種方法可靠性如何呢？人工復緊是否存在重復工作？。在國外的先進發動機制造企業，已普遍采用轉角法上緊螺栓力矩。即用自動擰緊機將螺栓擰到某一力矩值后，再轉過一個角度。這種工藝的優點在于可實現全自動化，生產效率高，控制精度高，一至性很好，消除人為因素影響。
一：螺紋連接基本原理
1、螺栓擰緊過程中的摩擦與扭矩消耗

圖 1

螺栓擰緊過程中的摩擦與扭矩消耗如上圖所示，根據經驗公式有：
式中： 為螺紋副摩擦系數； 為端面摩擦系數；
為螺栓有效直徑，粗牙螺紋， 0.906d ，細牙螺紋， 0.928d；
為端面摩擦圓有效直徑，
分別為摩擦圓的外徑及內徑；
d為螺紋公稱直徑；
為螺紋升角，粗牙螺紋 2°50′，細牙螺紋 2°10′
為垂直截面內的螺紋牙形半角，約為29°58′
經計算可得下表1：


硬連接 軟連接
摩擦系數 0.08 0.14
螺栓伸長(夾緊) 20% 12%
螺紋摩擦 35% 39%
端面摩擦 45% 49%
圓餅圖：

圖2
由表1可知，在上緊力矩的過程中，只有10-20%左右的擰緊力矩轉化為螺栓的軸向力。而軸向力（預緊力）是評價螺紋連接可靠性的重要性指標。螺栓松動的重要原因，是預緊力不足，防止螺栓松動的有效措施，就是確保預緊力、提高預緊力。
2、摩擦系數與扭矩系數的關系
摩擦系數是摩擦力與正壓力的比值。螺紋聯接摩擦可分為螺副摩擦系數μs，端面摩擦系數μw。扭矩系數k是反映螺栓擰緊過程中的扭矩與軸向夾緊力之間關系的經驗參數，由T=kd?F給出(式中：T－擰緊力矩；d－螺栓直徑；F－軸向夾緊力或螺栓預緊力；。K值越小，螺紋摩擦和端面摩擦所占扭矩消耗比越小。

通過實際測試同一規格同一批次的國產螺栓，其k值變化非常大。故在保證同一規格同一批次螺栓軸向預緊力相同的情況下，由于受到k值變化的影響，測得的擰緊力矩變化非常大。相反，在保證擰緊力矩相同的情況下，測量得的軸向力比較分散。
3、力矩法、轉角法螺紋緊固件擰緊過程對比
a、擰緊過程的不同階段
圖3
b、扭矩法
圖 4
c、扭矩轉角法
圖 5

從上圖來分析，由于受k值變化的影響，相同的擰緊力矩會得到不同的預緊力，最終軸向預緊力分散（圖4）。扭矩轉角法擰緊能有效控制螺栓預緊力(軸向力)，避免用扭矩法擰緊時出現的螺栓拉長或拉斷現象（圖5）。轉角法比力矩法更能很好去控制螺栓軸向預緊力的一至性。也就是說，只要合理選擇控制參數，轉角法比力矩法可靠性更高。
二、試驗驗證：
選取桿長為121的連桿螺栓作試驗，將螺栓兩端打磨光滑，用超聲波測長儀測量螺栓擰緊力矩后的申長量。
1、力矩法：使用兩端磨光螺栓，用擰緊機將螺栓擰緊到220N.m，再用人工復緊到230N.m，測量連桿螺栓伸長量及軸向力如表3。

表 3
螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(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
軸向力分布為：
軸向力范圍 79~85 85．01~90 90．01~95 95．01~100 100．01~105
個數 3 12 11 6 4
極小值 79．72　　極大值102．75　　極差 23．03　　
平均值 91．75 標準差：S1=1.86
直方圖：
圖 6
2、轉角法：使用兩端磨光螺栓，用擰緊機按轉角法60 N.m＋50°工藝擰緊，不復緊，測量連桿螺栓伸長量及軸向力如表4。

表4
螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(KN) 螺栓編號 伸長量(mm) 軸向力(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 ------- -------
軸向力分布為：
軸向力范圍 70~75 75．01~80 80．01~85 85．01~90 90．01~96
個數 3 10 21 11 1
極小值 70．8……  

2　　極大值95．01　　極差 　24．19　　
平均值　80．29　　標準差：S2＝0.85
直方圖
圖7
從上兩個直方圖來看，采用轉角法得到的螺栓軸向力比較集中，而力矩法則比較分散。從標準差來看，轉角法測得的數據標準差S2要遠遠小于力矩法S1。

三 結論：
從以上試驗可知，采用轉角法上緊螺栓力矩，比采用力矩法更能很好地控制螺栓的軸向力的一至性。若軸向力過大，會導至螺栓斷裂失效，軸向力過小，容易導致螺栓松脫。也就是說，采用轉角法上緊螺栓力矩可靠性高于力矩法。

后續：
扭矩法－我們用了幾十年，在我們的腦子里根深蒂固，轉角法在中國還是處于萌芽階段。當我們改用轉角法時，絕大多數人會用扭矩法的思想去衡量轉角法，如有的人對轉角擰緊效果不放心，則要求在用轉角法擰緊并使用一段時間后進行防漏和防松復檢——用定力矩扳手設定一較低的力矩值，如用轉角法擰緊后力矩值在280～460N.m，則設定200N.m，如發現力矩小于200N.m，則說明該螺栓聯接已松動失效，須查明原因后重新按轉角法擰緊(這完全可以理解，而且有一定必要)；但有的人直接搬用扭矩法的監測方法，按經驗定一范圍(260～300N.m)，復檢時凡小于260 N.m一律復緊到260～300 N.m，凡大于300N.m一律拆松復緊到260～300 N.m——用這樣的方法活生生的把轉角法改變為扭矩法。


參考文獻：
⑴　GB/T16823.3 《螺紋緊固件擰緊實驗方法》
⑵　SAEJ174 《鋼制螺紋緊固件扭-拉實驗方法》
⑶　EQY-262-97 《螺紋緊固件摩擦性能實驗方法》
⑷　卜炎 《螺紋聯接設計與計算》．高等教育出版社．1995年7月．北京．
⑸　楊連先 《內燃機設計》．中國農業出版社．1981年8月．北京．
⑹　濮進 《汽車螺紋緊固件裝配扭矩檢查方法研究與應用》
⑺　ISO16047 《Fasteners－Torque/clamp fore testing》
⑻　劉惟信 《機械可靠性設計》 清華大學出版社．1995年2月．北京．
⑼　姜立華 《發動機螺栓連接及擰緊工具應用技術》 2005年1月 吉林
⑽　郭永基 《可靠性工程原理》 清華大學出版社．2001年4月．北京．
⑾　郭學陶 《軸向靜載荷作用下螺栓強度的試驗研究》 南京航空學院．1983．

扭矩扳子及扭矩轉角測試儀　相關資料（中文版　英文版）

[ 本帖最后由 吉利阿友 于 2008-12-16 18:40 編輯 ]

德國汽車螺栓裝配工藝設計及測試.

授人以魚，不如授人以漁
很好  確實經典
想請教一下  國內哪家的扭矩檢定裝置做得好？

　　我目前在用的是國產東方儀器廠的ＮＪ系列扭矩檢定儀．使用了近９年，性能還不錯．

先扭到一定的力矩，再旋轉特定的角度，比較復雜，除非要求很高，一般不需要這么復雜吧

非常感謝樓主分享資料

最近要考試扭矩
要查些資料
這一查嚇一跳啊
發現現在對扭矩扳手的意見爭論很大啊

回復 10# 娛樂化


    呵呵，實情如此呀。指望搞計量科研的這幫人提出好的解決方法呀，而不是成天沒事在鉆研什么實驗室的不確定度什么的。

好東西，學習一下。