角度控制是测量螺栓连接张力的一种更为基本可靠的方法。



在之前的专栏中,我已经解释了为什么将紧固件紧固到特定的扭矩并不意味着产生的螺栓张力是准确的或可重复的。这是使用依赖于夹具负载的螺栓连接的最大挑战之一。然而,制造工程师可以使用另一种不依赖扭矩-张力关系的拧紧方法。

这种方法在装配中通常被称为“角度控制”,在施工中被称为“拧螺母”。这是张力控制的一种更基本、更可靠的方法。在螺栓屈服前,螺栓伸长率与螺栓拉伸率之间总是存在直接相关关系,而扭矩-拉伸关系则不是这样。

扭矩和角度控制的区别更容易从视觉上理解。图1a可能是用于计算摩擦系数或螺母系数的台架试验的结果,在给定扭矩输入的情况下,产生的张力可能会发生变化。变化量取决于几何形状、表面光洁度和涂层,但在某些条件下,图1中的程度并不夸张。

不幸的是,电镀锌,最常见的紧固件涂层,有一些最糟糕的扭矩-张力变化。假设轨迹发生在弹性范围内,可以用角度代替X轴上的张力(图1b),以显示这种情况如何影响传统的扭矩控制收紧。

由于每个螺栓的摩擦效应是不同的,所以在达到安装扭矩之前,螺栓的旋转角度不是恒定的。更高的摩擦会使扭矩上升得更快。由于旋转角度越小,产生的螺栓张力也相应越小。

这就是角度控制的原理。由于扭矩只能间接地产生张力,而螺栓的延伸率,从旋转是直接成比例的,让我们旋转到一个指定的角度,而不是指定的扭矩,我们总是会得到所需的张力。当然,实际使用中并没有那么简单。

首先,我们需要确定能达到我们想要的张力的角度。如果我们像在拉力测试仪中拉长钢杆那样拉长螺栓,胡克定律将使我们很容易估计给定张力所需的伸长。然而,对于一个接头中的每一个螺栓伸长单位,在被夹住的部件中都有相应的(但不相等的)压缩量。

对于简单的硬接头,如非嵌套钢板,这种压缩可以用与螺栓伸长率相同的方法计算。对于其他不太理想的关节,则需要进行测试。事实上,由于另一个原因,需要对非理想关节进行角度控制测试。

节理刚度,由张拉角轨迹的斜率表示,当节理被拉到一起成为完全接触时,它不是恒定的。如图2所示,图2还演示了该问题的通用解决方案。

测试确定转换阶段结束和轨迹线性部分开始时的扭矩。考虑到零件之间的变化,这种“舒适的”扭矩是确定的。指定的旋转角度,必须以足够的精度测量,从这一点开始。随着螺栓的长径比变得更小,每旋转一个角度产生更多的张力,因此需要更高的精度。

不太常见,但更麻烦的是,当张角轨迹不是线性的,由于关节刚度变化。除了最简单的关节外,所有的关节都需要进行角度控制测试,而扭矩控制也需要进行关节内测试或验证摩擦因数。

因此,角度控制和扭矩控制的最基本的对比是,刚度一致、摩擦变刚度的关节更有利于角度控制,而摩擦一致、刚度变刚度的关节更有利于扭矩控制。没有一致的刚度或摩擦的接头需要回到绘图板。

由于第一种接头类型可能是最常见的,而且扭矩控制在组装应用中肯定更常见,因此许多制造商都有机会成功地采用角度控制,特别是那些使用带有角度编码器的拧紧工具的制造商。