淺析扭矩扳手準(zhǔn)確度的因素與誤差分析

趙曉君 吳俊 徐飛 賈志文 戴建新

摘要：經(jīng)典力學(xué)中，力矩一直是一個(gè)非常重要的物理量，它描述了一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又分為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，而力矩就是為了更好的描述一個(gè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)而引入的物理量。根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，從施力方向，讀數(shù)誤差和螺栓摩擦三個(gè)方面探討和分析了影響扭矩扳手準(zhǔn)確度的因素與誤差來(lái)源，提出了再操作扭矩扳手時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：力矩;誤差;注意事項(xiàng)

隨著測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，扭矩扳手越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)流水線上，特別是在裝配過(guò)程中，通常用扭矩扳手來(lái)對(duì)螺栓施加預(yù)緊力，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。但由于扭矩扳手使用頻率較高，容易造成外部零件的磨損，以及內(nèi)部元件疲勞老化，從而產(chǎn)生誤差，本文對(duì)扭矩扳手準(zhǔn)確度的影響因素和誤差的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，對(duì)于在實(shí)際工作中正確應(yīng)用扭矩扳手具有重要意義。

1扭矩扳手的工作原理及分類

在物理學(xué)中，力矩是指作用力使物體繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨向，物體在力的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的中心為矩心，矩心到力的作用線的距離為力臂。則扭矩T等于作用力F與力臂L的乘積，扭矩扳手就是依據(jù)這一原理設(shè)計(jì)制造的計(jì)量器具，扭矩扳手主要用于緊固螺栓，螺母或螺釘，并能夠測(cè)量（或控制）扭矩值，以保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。 扭矩扳手按照動(dòng)力源一般分為：手動(dòng)，電動(dòng)，氣動(dòng)，液壓四大類，按結(jié)構(gòu)一般分為示值式和預(yù)置式兩種形式，示值是式又可分為指針式和數(shù)字式，預(yù)置式又可分為帶刻度可調(diào)式和定植式。示值式以指針刻度或數(shù)字的顯示方式輸出扭矩，預(yù)置式是可預(yù)先設(shè)置輸出扭矩值，并以視覺(jué)，聲音等感知信號(hào)顯示輸出預(yù)設(shè)扭矩。

2扭矩扳手準(zhǔn)確度的影響因素及誤差分析

影響扭矩扳手準(zhǔn)確度的因素有很多，本文根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，主要從施力方向，讀數(shù)誤差，螺栓摩擦3大方面進(jìn)行分析說(shuō)明。

2.1施力方向的影響 在使用扭矩扳手時(shí)，施力方向應(yīng)與扳手手柄的方向垂直，偏離角度過(guò)大會(huì)在螺栓上產(chǎn)生一個(gè)彎曲力，同時(shí)增大單邊摩擦，引起扭矩值不準(zhǔn)。 作用力F偏離扳手手柄垂直方向的角度，F(xiàn)可分解為沿扭矩扳手方向的力F1和垂直于扭矩扳手方向的力F2。當(dāng)施力方向不垂直于沿扳手方向時(shí)，會(huì)導(dǎo)致扭矩扳手輸出的扭矩值不準(zhǔn)確，影響產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。

2.2讀數(shù)的影響 對(duì)于指針式扭矩扳手或顯示不穩(wěn)定的數(shù)顯式扭矩扳手，在讀數(shù)時(shí)一般需進(jìn)行估讀，從而帶來(lái)誤差，JJG707-2014《扭矩扳子檢定規(guī)程》規(guī)定：指針式扭矩扳手的分辨力r依據(jù)指針指示部分寬度與標(biāo)尺或度盤兩相鄰刻線間距的比來(lái)確定。一般為分值度的1/2，1/4，1/5。數(shù)顯式扭矩扳手分辨力r在零扭矩條件下觀察，顯示穩(wěn)定時(shí)分辨力為最小示值增量，顯示不穩(wěn)定時(shí)為波動(dòng)范圍的1/2。 設(shè)由讀數(shù)帶來(lái)的誤差占扭矩扳子整體示值誤差的比例為P，則測(cè)量范圍為（20-100）Nm，準(zhǔn)確度等級(jí)為4級(jí)，相對(duì)分辨力為2.0%的指針式扭矩扳手，則K使用測(cè)量點(diǎn)在測(cè)量上限的20%，40%，60%，80%，100%處由讀數(shù)帶來(lái)的示值相對(duì)誤差表。 可見(jiàn)在使用測(cè)量點(diǎn)20Nm處，讀數(shù)誤差為2%，占整個(gè)扭矩扳手示值相對(duì)誤差的比例達(dá)到50%，而隨著使用測(cè)量點(diǎn)扭矩值的增大，讀淑誤差一次遞減，因此在扭矩扳手的測(cè)量下限處，讀數(shù)誤差所造成的影響最大。

2.4螺栓摩擦的影響 扭矩扳手的主要作用是緊固螺栓，但在使用過(guò)程中，螺紋連接件之間存在摩擦，而有摩擦造成的扭矩?fù)p耗量測(cè)量困難，因此往往可能出現(xiàn)扭矩值波動(dòng)不準(zhǔn)確的情況，在扭緊螺紋的過(guò)程中，扭矩T與預(yù)緊力Q存在正比關(guān)系。其中K可概括影響扭矩和預(yù)緊力關(guān)系的每一個(gè)因素，如摩擦系數(shù)，扭轉(zhuǎn)變形，彎曲變形，螺紋牙變形等，由于摩擦與K有直接關(guān)系，所以T值的準(zhǔn)確度取決于螺紋與接觸面之間的摩擦損耗，在扭緊的過(guò)程中，要克服螺紋間的螺紋扭矩T1與被連接件的支撐面端的摩擦扭矩T2。 預(yù)緊力的大小根據(jù)螺栓組受力和連接的工況要求而定，一般規(guī)定擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊力不得大于其材料承受力的80%，對(duì)于相對(duì)重要的螺紋連接，其產(chǎn)品手冊(cè)中所列的參數(shù)包括：螺紋的種類，規(guī)格，摩擦系數(shù)，材料的屈服極限，推薦的扭緊扭矩指示值等，可根據(jù)相關(guān)參數(shù)選擇扭緊扭矩的大小。 在扭矩扳手的使用中，螺栓頭底部和被連接件表面的摩擦可消耗50%的扭矩，其他30-40%的扭矩?fù)p失在螺紋處的摩擦，僅有10%左右的扭矩能夠有效的運(yùn)用在擰緊螺栓上。必須控制螺栓，螺帽的材質(zhì)，熱處理，加工精度，并檢查表面是否有凹痕，裂紋等情況。

3使用中應(yīng)注意的問(wèn)題

綜上所述，一把檢定合格且在有效期內(nèi)的扭矩扳手，在不同工況或由不同的操作人員使用會(huì)出現(xiàn)示值波動(dòng)不穩(wěn)或數(shù)字不準(zhǔn)確的情況，從而導(dǎo)致裝配質(zhì)量不合格，因此在實(shí)際操作中，除了避免上文分析的情況外，還應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）扭矩扳手的使用范圍是其測(cè)量上限的20-100%，但大量實(shí)踐證明，最佳使用范圍在30-90%，因?yàn)樵谶@個(gè)范圍使用，扭矩扳手內(nèi)部的彈簧有一個(gè)良好的預(yù)緊力而又保持足夠的變形余量，而且大多數(shù)扭矩扳手不合格點(diǎn)都在其測(cè)量下限附近。

（2）使用前應(yīng)檢查扭矩扳手極其附件，不應(yīng)有裂紋，損傷，銹蝕等影響使用的缺陷，指針式顯示裝置的指針從動(dòng)針無(wú)松動(dòng)和彎曲，刻度盤上刻線應(yīng)均勻一致，數(shù)顯式裝置應(yīng)有峰值保持功能。

（3）使用前應(yīng)按使用方向?qū)εぞ匕馐诸A(yù)加最大扭矩3次，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀況。

（4）施加扭矩時(shí)，手應(yīng)握在把手的手握刻線處，任意增加或縮短其長(zhǎng)度，扭矩值都會(huì)存在微小的波動(dòng)。

（5）施力速度應(yīng)盡可能平穩(wěn)，這樣施加的扭矩值準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好。

（6）實(shí)用完成后，應(yīng)將扭矩扳手調(diào)制最小刻線處。

（7）扭矩扳手應(yīng)妥善保管，不宜與水及酸堿性氣液體接觸。

4結(jié)束語(yǔ)

扭矩扳手作為一種機(jī)械式的扭力工具，示值誤差是影響其準(zhǔn)確度的最重要因素之一，在使用扭矩扳手的過(guò)程中由于操作不當(dāng)或考慮因素不周全會(huì)嚴(yán)重影響扭矩的示值誤差，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量不合格，在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)裝配質(zhì)量的控制極其重要，因螺栓松動(dòng)而導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題和安全事故事例不計(jì)其數(shù)，所以對(duì)扭矩扳手的正確認(rèn)識(shí)和使用對(duì)保證裝配精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：趙曉君（1990），男，安徽省馬鞍山市，畢業(yè)于北京交通大學(xué)汽車運(yùn)用工程專業(yè)，長(zhǎng)期從事汽車焊接工藝方面的研究管理工作。