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CN111721697A - 一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置 - Google Patents

一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置 Download PDF

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张彩霞
李翔
刘志峰
赵永胜
李迎
王建华
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Abstract

本发明公开了一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，包括通用摩擦设备扭矩测量模块、螺母固定套筒、连接件支撑架、垫圈式压力传感器和螺栓拧紧模块。通用摩擦设备扭矩测量模块连接螺母固定套筒和连接件支撑架，沿导轨做竖直运动并通过设备自适应反馈到达合适位置；连接件支撑架固定上下连接件及垫圈式压力传感器；螺栓拧紧模块内含扭矩‑角度传感器，用于拧紧螺栓。本发明能够实现对不同等级、不同尺寸和不同材料的螺栓联接的摩擦系数的测量，能控制螺栓拧紧时的速度和方向，实现扭矩法和转角法的拧紧工艺，对后续螺栓联接中拧紧扭矩、摩擦系数和轴向预紧力关系的研究具有重要意义。

Description

一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量 装置
技术领域
本发明属于测试装置技术领域，主要涉及一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置。
背景技术
螺栓联接因其结构紧凑、连接牢固、拆卸方便等优点，已广泛运用于汽车、机床、航天等行业。在实际装配过程中最常用的为扭矩法，通过对螺栓或者螺母施加扭矩，拧紧过程中需要克服螺纹摩擦扭矩及支承面摩擦扭矩，最后转化为轴向预紧力。而转角法是在拧紧时达到规定的扭矩之后，再按照规定的角度转动螺栓。转角法是一种优化的拧紧方式，它寻求在螺栓拉伸极限的超弹性区域内，达到屈服点，从而实现对螺栓性能的充分利用同时还能够精确地控制装配扭矩的目的。
螺栓拧紧时各接触面之间存在摩擦，摩擦系数会直接影响栓接结构的预紧力状态，其中包括三个关键摩擦系数：总摩擦系数、支承面摩擦系数和螺纹摩擦系数。传统的测试方法往往通过扭矩扳手和压力传感器，测得栓接结构的总摩擦系数；近些年也有一些研究人员通过贴片法计算形变测得轴向预紧力，从而结合扭矩测得总摩擦系数。但仅有总摩擦系数并不足以满足我们的设计需求。
因此，本发明公开了一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，可实现对螺栓连接的总摩擦系数、支承面摩擦系数和螺纹摩擦系数的测量。
发明内容
本发明的目的在于解决对螺栓联接的摩擦系数测量中，只能单一测得总摩擦系数的问题，提供了一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，可同时测得总摩擦系数、支承面摩擦系数和螺纹摩擦系数。
为了达到这一目的，本发明采用的技术方案是：
一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，包括通用摩擦设备扭矩测量模块、螺母固定套筒、连接件支撑架、垫圈式压力传感器和螺栓拧紧模块。通用摩擦设备扭矩测量模块连接螺母固定套筒和连接件支撑架，可沿导轨做竖直运动并通过设备自适应反馈到达合适位置；螺母固定套筒连接在扭矩传感器上用于夹紧螺母；连接件支撑架固定上下连接件及垫圈式压力传感器；螺栓拧紧模块内含扭矩-角度传感器，用于拧紧螺栓。
所述通用摩擦设备扭矩测量模块，包括扭矩传感器、减震装置和二维力传感器。通过二维力传感器可控制该测量模块沿导轨做竖直运动并通过设备自适应反馈到达合适位置，其中扭矩传感器连接螺母固定套筒，可测得固定螺母端扭矩。
所述螺母固定套筒，通过底盘连接在通用摩擦设备扭矩测量模块的扭矩传感器上，套筒内含六边形凹槽用以夹紧螺母，并预留一定长度防止螺栓与螺母拧紧后伸出螺杆顶死套筒底盘。
所述连接件支撑架，分为上下两部分，上部连接在通用摩擦设备扭矩测量模块的减震装置上，向下伸出四个带滑槽的长板，下部通过螺栓和滑块固定在带滑槽的长板上，可通过滑槽实现上下移动；下部的支撑板上表面开有正方形凹槽和凸起部分用于固定上下连接件和垫圈式压力传感器，支撑板下表面开有圆形大通孔，可保证螺栓头部与下连接件的真实接触。
所述垫圈式压力传感器，置于上连接件和下连接件之间，此部分整体固定在连接件支撑架上，主要用于测量栓接结构拧紧时的轴向预紧力。
所述螺栓拧紧模块，包括通用摩擦设备旋转台、扭矩-角度传感器和螺栓拧紧套筒，利用通用摩擦设备旋转台连接扭矩-角度传感器，进而连接螺栓拧紧套筒来拧紧螺栓，可测得拧紧过程施加的拧紧扭矩。
所述测量装置，还包括测量所需数据传输系统，数据传输系统用于接收上述传感器的测量数据。
所属测量装置，还包括扭矩测量模块和螺栓拧紧模块的控制系统，通过通用摩擦设备的控制系统最终实现螺栓的拧紧过程。
所述测量装置，通过扭矩测量模块和螺栓拧紧模块将螺栓拧紧过程分解为两个复合运动，分别是螺栓的水平旋转运动和螺母及连接件的竖直向下运动。
本发明的有益效果在于：
本发明公开的测量装置可同时测得螺栓联接的总摩擦系数、支承面摩擦系数和螺纹摩擦系数。该装置通过更换不同尺寸的螺母固定套筒和螺栓拧紧套筒，可实现对不同尺寸螺栓的测量。通过通用摩擦设备的自动对心功能，可以保证螺栓联接的同轴度。此外，螺栓拧紧模块的通用摩擦设备旋转台可以控制转动速度，可用来探究不同拧紧速度对螺栓联接轴向预紧力的影响；也可控制其转动方向，配合扭矩-角度传感器，实现转角法的拧紧工艺，进而探究转角法中预紧力的变化。
附图说明
图1为螺栓联接各关键摩擦系数通用测量装置的整体结构示意图。
图2为该测量装置的分解示意图。
图3为扭矩测量模块结构示意图。
图4为螺母固定套筒结构示意图。
图5为连接件支撑架结构示意图。
图6为两块连接件及垫片式压力传感器结构示意图。
图7为螺栓拧紧模块结构示意图。
上述附图中的标号说明如下：
1-二维力传感器，2-减震装置，3-扭矩传感器，4-螺母固定套筒，5-连接件支撑架，6-被测螺母，7-上连接件，8-垫片式压力传感器，9-下连接件，10-被测螺栓，11-螺栓拧紧套筒，12-扭矩-角度传感器。
具体实施方式
根据相关准则GB/T 16823.3-2010《紧固件扭矩-夹紧力试验》，可知：
测得拧紧扭矩、支承面摩擦扭矩和螺纹摩擦扭矩中的任意两个参数，结合轴向预紧力即可计算出三个关键摩擦系数：总摩擦系数、支承面摩擦系数和螺纹摩擦系数。
下面以数控铣床制造装配中某外六角螺栓联接为例对本发明具体实施方式进行说明，但本发明并不局限于此。
结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1至图2所示，本发明的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，包括二维力传感器1、减震装置2、扭矩传感器3、螺母固定套筒4、连接件支撑架5、被测螺母6、上连接件7、垫片式压力传感器8、下连接件9、被测螺栓10、螺栓拧紧套筒11、扭矩-角度传感器12。
如图3所示，扭矩测量模块包括二维力传感器1、减震装置2和扭矩传感器3。三个构件依次通过螺栓连接固定在通用摩擦设备上部工作模块，此部分沿导轨做竖直运动。
如图4所示，螺母固定套筒4通过圆形底盘上的四个螺纹孔4-1安装在扭矩传感器3上，套筒内开有六边形凹槽4-3便于固定待测螺母，套筒中间垂直于轴线开有圆形通孔4-2，便于观察拧紧后螺杆伸出部分长度。
如图5所示，连接件支撑架5分为上部5-1和下部5-5，上部5-1通过螺栓连接在减震装置2上，向下伸出四个带滑槽5-6的长板，下部通过内六边形螺栓5-8和滑块5-7固定在带滑槽5-6的长板上，可通过滑槽5-6实现上下移动；下部的支撑板上表面开有正方形凹槽5-3和凸起部分5-2用于固定上下连接件和垫圈式压力传感器8，支撑板下表面开有圆形大通孔5-4，确保螺栓头部与下连接件的真实接触。
如图6所示，垫圈式压力传感器8置于上连接件7和下连接件9之间，上、下连接件中间均开有圆形通孔以便螺栓穿过。
如图7所示螺栓拧紧模块包括螺栓拧紧套筒11和扭矩-角度传感器12,螺栓拧紧套筒11上有内六边形凹槽11-1用于拧紧螺栓，扭矩-角度传感器12上有柱形凸台12-1可连接螺栓拧紧套筒11，下有小圆形底盘12-2用于固定连接在UMT旋转台上。
进一步地，包括如下测试步骤：
步骤1：将扭矩测量模块连接在通用摩擦设备上部工作台上，并依次安装二维力传感器1、减震装置2和扭矩传感器3。
步骤2：将螺母固定套筒4通过螺栓连接安装在扭矩传感器3上。
步骤3：将连接件支撑架5上部固定在扭矩测量模块的减震装置2上，下部通过螺栓和滑块固定在上部的滑槽上。
步骤4：将上连接件7和下连接件9均放置在连接件支撑架5中支撑板的正方形凹槽中。
步骤5：将垫圈式压力传感器8放置于上连接件7和下连接件9之间，并将垫圈式压力传感器8数据采集线连接至数据采集系统。
步骤6：将待测螺母6夹紧于螺母固定套筒4中，并将其固定。
步骤7：调节连接件支撑架5中滑槽中的螺栓和滑块，通过滑槽上下移动连接件支撑架5的支撑板使其夹紧上连接件7、垫圈式压力传感器8和下连接件9，并使上连接件7的上表面接触待测螺母6的下表面，拧紧滑槽中的螺栓和滑块使其固定。
步骤8：将螺栓拧紧模块中的扭矩-角度传感器12通过下方小圆盘安装在通用摩擦设备下部旋转台上。
步骤9：将螺栓拧紧套筒11连接固定在扭矩-角度传感器12上。
步骤10：将待测螺栓10放置在螺母拧紧套筒11中，并将其固定。
步骤11：各构件及测试工件固定完毕，可以进行相关系数的测量。
步骤12：启动通用摩擦设备旋转台使螺栓拧紧套筒连接待测螺栓做水平旋转运动。
步骤13：启动通用摩擦设备上部工作台竖直向下移动的跟踪反馈模式，利用扭矩测量模块中二维力传感器1控制待测螺母6及两块连接件竖直向下运动，直至下连接件9与待测螺栓10的螺栓头接触并达到设定的轴向预紧力。
步骤14：通过该装置的数据采集系统，可测得螺栓拧紧时的拧紧扭矩、轴向预紧力和固定螺母端扭矩。
步骤15：根据相关准则GB/T 16823.3-2010《紧固件扭矩-夹紧力试验》，即可计算出总摩擦系数、支承面摩擦系数和螺纹摩擦系数。
综上所述，本发明的通用测量装置可测得螺栓联接的总摩擦系数、支承面摩擦系数和螺纹摩擦系数，且能保证数据的准确有效性。同时该测量装置能控制螺栓拧紧时的速度和方向，实现扭矩法和转角法的拧紧工艺，这对后续螺栓联接中拧紧扭矩、摩擦系数和轴向预紧力关系的研究具有重要意义。
以上内容是结合具体的优选实例对本发明所做的进一步说明，并不能认定本发明仅限于此。对于本领域的技术人员来说，凡在本申请的构思和原则内，所作的修改、改进及替换等，都应当包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，其特征在于：
包括摩擦设备扭矩测量模块、螺母固定套筒、连接件支撑架、垫圈式压力传感器和螺栓拧紧模块；摩擦设备扭矩测量模块连接螺母固定套筒和连接件支撑架，沿导轨做竖直运动并通过摩擦设备自适应反馈到达合适位置；螺母固定套筒连接在扭矩传感器上用于夹紧螺母；连接件支撑架固定上下连接件及垫圈式压力传感器；螺栓拧紧模块内含扭矩-角度传感器，用于拧紧螺栓。
2.根据权利要求1所述的一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，其特征在于，通过控制系统自动拧紧螺栓，避免手动拧紧过程中产生误差。
3.根据权利要求1所述的一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，其特征在于，将螺栓拧紧过程分解为两个复合运动，分别是螺栓的水平旋转运动和螺母及连接件的竖直向下运动。
4.根据权利要求1所述的一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，其特征在于，更换不同尺寸的螺母固定套筒和螺栓拧紧套筒，实现对不同尺寸螺栓的测量。
5.根据权利要求1所述的一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，其特征在于，将垫圈式压力传感器置于两块连接件之间，垫圈式压力传感器表面与连接件表面完全接触，保证测量数据准确。
6.根据权利要求1所述的一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，其特征在于，通过摩擦设备上下工作模块的自动对心功能，保证螺栓联接同轴度。
7.根据权利要求1所述的一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，其特征在于，控制螺栓拧紧模块的通用摩擦设备旋转台的转动速度，探究不同拧紧速度对螺栓联接轴向预紧力的影响。
8.根据权利要求1所述的一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，其特征在于，控制螺栓拧紧模块的摩擦设备旋转台的转动方向，配合扭矩-角度传感器，实现转角法的拧紧，探究转角法中预紧力的变化。
9.根据权利要求1所述的一种适用于扭矩法和转角法的螺栓各关键摩擦系数通用测量装置，其特征在于，同时测得拧紧螺栓时的拧紧扭矩、轴向预紧力和固定螺母端扭矩，进而得到总摩擦系数、支承面摩擦系数和螺纹摩擦系数。
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