扭矩型扭力扳手、扭矩传感器验收的探讨

　　在工业生产中，尤其是汽车工业，应用最广泛的扭力扳手是扭矩控制型扳手，其次是扭矩—转角控制型扳手。随着对汽车发动机质量要求的日益提高，对扭力扳手的精度也提出了越来越高的要求。
　　在汽车工业中，对扭矩控制型扳手的精度要求一般是±5%(额定值)，高精度的是±3%(额定值)。对扭矩—转角控制型扳手的精度要求一般为：贴合扭矩精度±(5～10)%(额定值)、角度精度±1°。
　　上述两种扭力扳手，基本上可以满足我国工业近期的要求。虽然扭矩控制型扳手已使用多年，但由于对此类扳手的精度这一概念的理解不一，扭矩精度的检测方法不规范，因此在该扳手的验收上，用户厂与(设计)制造厂经常存在分歧、发生争执，为此一拖几年的情况也时有发生。因此，重温一下螺纹联接的有关基本理论、结合实际问题作比较深入的分析，对此类扭力扳手的验收达成一些共识是十分必要的。

2　扭力扳手拧紧过程分析

　　首先我们应该了解拧紧过程(见图1)。开始拧入时，有一个低扭矩拧进期(o′～a)；然后进入拧紧过程，其中a～b此区段为弹性区、b～c为过渡区、c点为峰值扭矩，从c点开始的区段为塑性区。而对于螺纹联接件而言，作用其上的扭矩M与螺丝联接件的应变ε也有类似如图1的曲线（M－ε）。

图1　拧紧过程

　　螺纹联接件的使用场合不同，选用时在(M-ε)图上的工作点也不同，在反复拧紧、松开的使用场合(例如夹具上采用的螺纹夹压件)应该选择a～b区段的工作点为宜；而在永久性联接或半永久性联接(装配后除非损坏或维修才拆装的螺纹联接件。如汽车发动机缸体、缸盖密合螺栓；连杆上的联接螺栓等)场合则应选择c点以后的塑性区的某点。对这两种不同使用场合的扭力扳手，验收时的情况也不相同。
　　实际上，用扭力扳手拧紧螺纹联接件，其最终目的是产生紧固力F，而施加在螺纹联接件上的扭矩M，仅有约10%部份(M₁)是用来产生紧固力F的，其余部份均消耗在克服摩擦上，包括克服螺纹联接件螺纹表面的摩擦力矩M₂与克服螺纹联接件座面(指联接件端P与被联接件表面)两摩擦力矩M₃。M₁、M₂、M₃的比例如图2所示。由此可见螺纹联接件的机械效率很低，正是这种低的机械效率，可以有效地防止联接件本身的松脱而使其有足够的安全系数。

图2　扭矩的分配

　　从上可知，螺纹联接件被拧紧时，作用其上的有效扭矩M₁(与此相应的由M₁产生的紧固力F₁)不仅与扭力扳手施加在螺纹联接上的扭矩M有关，而且与一些摩擦力矩M₂、M₃有关。施加于螺纹联接件上的扭矩M与螺纹联接件产生的紧固力F₁之间的关系可以表达如公式(1)：

F₁＝M／K^．D　　　　　（1）

式中　K——扭矩系数
　　　D——螺纹联接件直径

　　　　（2）

式中　t——螺距
　　　α——螺纹半角
　　　μ_s——螺纹表面摩擦系数
　　　d₂——螺纹半径
　　　d_w——螺纹联接件座面平均直径
　　　μ_w——螺纹底面摩擦系数
　　μ_s与μ_w这两个摩擦系数与许多因素相关而且变化比较大。μ_s主要与螺纹的加工质量(包括表面粗糙度，螺纹副尺寸精度等)、运输储存质量(磕、碰，灰尘等)及表面润滑有关；μ_w主要与结合面的质量(粗糙度、平直度)、垫圈的类型(刚性、塑性)与质量及表面润滑等因素有关。在同样的扭力扳手输出扭矩M时，其产生的紧固力受μ_s、μ_w的影响相差甚大，图3所示即为μ_sw＝0～0．25时的F₁的曲线。按目前的现场状况，μ_sw通常在0.1～0.2之间波动，高质量的螺栓副μ_sw可控制在0.14～0.18之间。因此，当用扭矩法控制的紧固系统，即使其扳手的输出扭矩M的精度为±0%(即无误差，当然这只是一种假设)，因受μ_sw的变化而使紧固力的精度竟可达到±30%。因此，对一些有较高紧固质量要求的螺纹联接件，不应选择“扭矩控制法”，而应选择其它更为可靠的控制法。也就是说，片面追求高紧固系统输出扭矩值M的控制精度是不合理的，也是徒劳的。据目前在汽车工业中使用的扭矩控制型扭力扳手的情况，其精度一般为±5%，最高为±3%，追求更高的精度是没有意义的。

图3　紧固力F₁与扭矩M的关系

图4　两种控制方法比较
(a)扭矩控制　　(b)扭矩一转角控制

3　关于扭矩控制型扳手的验收

　　目前，在我国一些发动机生产厂中，对螺纹联接件紧固质量的检验通常采取这样的办法：用一把手动扭力扳手(根据精度要求不同，用机械指针式、千分表式或数字显示式)对已完成拧紧过程的螺纹联接件继续拧紧或松开，读出在螺纹联接件转动瞬间(无论是继续拧紧还是松开)的扭矩值，将此值作为紧固扭矩值，用以验收生产过程中使用的扭力扳手的精度。然而这种验收方法是不合理的。如前所述，在拧紧过程中，扭矩值的上升如图1所示，在(a～b)区段为弹性区，(b～c)区段为过渡区、c点以后为塑性区，若拧紧终止点在(a～c)区段内，验收时继续拧紧，扭矩显示值呈上升趋势、松开时呈下降趋势；若拧紧终止点在c点之后(需要指出的是，绝大多数汽车发动机上关键部位的螺纹联接件的终止点就是选在该区段)，那么验收时继续拧紧，扭矩示值呈下降趋势、松开时也呈下降趋势。另外，由于螺纹联接件的材质(包括材料、热处理状况等)、制造(表面粗糙度、尺寸精度)、使用状况(表面清洁度、润滑情况、垫圈与联接表面质量)等因素，而导致即使同批螺纹联接件，其扭矩特性曲线也难以等同(表现为曲线的斜率不等)。如图1所示的特性曲线中，a、b、c点的位置也存在离散。除上述因素外，还有一个不可忽视的因素，即在完成拧紧过程时，其最终拧紧扭矩值是在动态情况下达到的数值，是在螺纹表面之间、螺纹联接件座面之间动摩擦的情况下获得的。而目前采用的验收方法，无论是用继续拧紧还是松开，上述两种摩擦均是静摩擦，对条件相同的两对摩擦副，其动、静摩擦系数是不等的。
　　综上所述，影响上述验收方法准确性的因素是螺纹联接件本身的状况、联接状况的差异与动静摩擦系数值的不同，而且这些因素均带有很大的随机性。因此，用此种方法来验收紧固用的扭力扳手是不合理的。
　　图5所示是沈阳某汽车发动机厂缸体主轴承盖拧紧螺母图。缸体与主轴承盖的材料均为ZL104(GB1173-14)，螺母与双头螺栓的材料均为45(GB699-65)，硬度HRc25～32。螺母拧紧后，要求最终扭矩值为(12～16)kg*m。该厂使用一台十轴自动扭力扳手拧紧，用滑环式扭矩传感器作为控制元件，每根轴由交流三相电机驱动，经过扭力扳手传动扭矩传感器、扳手头到螺母，扭矩传感器的标定精度为±3%。螺母拧紧后的扭矩检查是用一把数字式手动扭力扳手拧紧进行的。

图5　缸体主轴承盖拧紧螺母

　　表1列出10个缸体扭矩检查的实测值，其中件1～5、6～10是分别由两位检查员检测的。

表1　缸体主轴承盖密合实测扭矩表　　　　(kg^．m)

图6　静态校验

　　图7所示即为动态校验的示意图，这种校验最理想的是在实际使用场合进行，(在设计扭矩扳手时就应考虑预留进行动态校验的空间与连接的接口)，其中使用的回转式扭矩校正仪可根据要求校验的精度与目的不同而有不同的配置。如果只需读取扭矩峰值，则可用ST回转式峰值扭矩传感器；若需将扭矩数据处理，可加接EP5000数字式扭矩显示仪、EPP16/EPP16M打印机，或者直接加接DFS简易数据文件系统(所示型号均为信邦有限公司代理的日本TOHNICHI产品)。校验时，按要求对待验扭力扳手预置一扭矩值，反复的拧紧，从设备控制系统与扭矩校正仪上读取相应的值，对数据进行相应的处理后，即可获得待验扭矩扳手的精度。

图7　动态校验

　　最后再简单谈一下测试数据的处理。一般用户厂在验收时，对一组测试数据均沿用下列式子计算精度：

这种计算方法是欠妥的，并不能全面、准确地反映该扭力扳手的精度。我们认为，与之相比应该取标准误差(均方根差)来表示较为合适。现将几个主要的计算公式叙述于后以供参考：

算术平均值：
均方根差：
　　相对精度范围：

　　将相对精度范围作为被校验扭矩扳手输出扭矩的精度。

4　结束语

　　综上所述，在为用户厂设计、制造扭矩型扭力扳手或扳手设备、机床时，在精心设计、制造的同时，必须事先与用户厂就验收方法及相应的精度进行磋商、达成共识，才能顺利地验收。