扭矩扳手原理

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1、可讀式扭矩扳手的原理設(shè)計(jì) 1 可讀式扭矩扳手的原理設(shè)計(jì) 扭矩扳手亦稱(chēng)力矩扳手、測(cè)力扳手、公斤扳手 ??是一種可以接工藝要求預(yù)設(shè)限 定或指示、測(cè)量擰緊螺紋聯(lián)接組件扭矩值的手動(dòng)扳手，也是一種扭矩計(jì)量工具。扭 矩扳手可分為三大類(lèi)：定值式扭矩扳手、指示表式扭矩扳手和電子數(shù)顯扭矩扳手。 定值式扭矩扳手又分為預(yù)置式和可調(diào)式扭矩扳手，此類(lèi)扭矩扳手的功能簡(jiǎn)單，精度 較低，精度一般為 4％，但價(jià)格較便宜。這類(lèi)扭矩扳手是裝配作業(yè)中較早使用的產(chǎn) 品，因?yàn)樯a(chǎn)技術(shù)容易掌握，制造生產(chǎn)的廠商也很多。指示表式扭矩扳手精度一般 在3％，它主要解決了定值式扭矩扳手沒(méi)有的扭矩測(cè)量功能，并提高了測(cè)量精度。 電子數(shù)顯扭矩扳手國(guó)際

2、上出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 90年代初，它很好地解決了以上兩類(lèi) 扭矩扳手功能簡(jiǎn)單、使用精度低的明顯不足。由于電子數(shù)顯扭矩扳手的高精度、多 功能和具有與計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的功能，使得電子數(shù)顯扭矩扳手充分滿足了現(xiàn)代工業(yè) 發(fā)展的需求，很好地解決了機(jī)械式扭矩扳手在緊固件擰緊控制中不能解決的問(wèn)題。 現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)外廠商是采用應(yīng)變測(cè)量原理生產(chǎn)的電子數(shù)顯扭矩扳手都存在耗電量大和 力臂長(zhǎng)度改變嚴(yán)重影響測(cè)量精度的兩大問(wèn)題，這樣就給使用中帶來(lái)了很多的不便。 國(guó)內(nèi)曾經(jīng)研制的數(shù)字式扭矩扳手，其結(jié)構(gòu)是在扳手頭部安裝扭矩傳感器，優(yōu)點(diǎn)是扭 矩測(cè)量精度不受力臂長(zhǎng)度變化的影響，缺點(diǎn)是扳手頭部較為笨重，很難安裝棘輪裝 置，不能變換頭部結(jié)構(gòu)。

3、 電容式電子數(shù)顯扭矩扳手具有高精度的扭矩測(cè)量、最大扭矩保持、定值限力報(bào) 警和數(shù)據(jù)輸出等多功能特點(diǎn)，為產(chǎn)品裝配作業(yè)中緊固件裝配質(zhì)量的過(guò)程控制提供了 更好的工具。 指針式扭矩扳手除內(nèi)裝扭矩產(chǎn)生及控制機(jī)構(gòu)外，還裝有一只外露扭矩表，能隨 時(shí)指示出施加的扭矩值。它也可作扭矩值的校準(zhǔn)工具，通過(guò)扭矩表直接指示并讀出 所施加的扭矩值。這種扭矩扳手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)較高。還有一種精度較低的 簡(jiǎn)易型指示式扭矩扳手，與一般死扳手外形接近，裝有一塊外露的圓弧形刻度盤(pán)及 一個(gè)指針，可以指示出扳手?jǐn)Q緊螺紋時(shí)在一定范圍內(nèi)的扭矩值，多用于汽車(chē)修理行 業(yè)，但不推薦在模具行業(yè)使用。 測(cè)扭矩扳手原理是作用在手柄上的力通過(guò)應(yīng)力

4、環(huán)傳到扳軸，應(yīng)力環(huán)在徑向壓力 的作用下發(fā)生彈性變形，用百分表測(cè)出其變形量。在百分表的尾柄上套有塑料管。 在扳手外殼上裝有阻尼套，阻尼塊在彈簧力作用下壓緊在尾柄上，對(duì)百分表造成阻 尼，即當(dāng)外力消失后，應(yīng)力環(huán)恢復(fù)原形，但表針卻由于阻尼而停止不動(dòng)，可供觀察 記錄。當(dāng)提起把手時(shí)，百分表尾柄上的阻尼力消失，表針回到原位，便可再次進(jìn)行 測(cè)量和記錄。該扳手測(cè)量精度高，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 綜合以上因素，本文選定用指針式扭矩扳手設(shè)計(jì)，主要利用了扭力軸和杠桿、 齒輪副放大的原理，即扭力軸受力時(shí)發(fā)生彈性形變，且變形量與扭矩成正比，則放 大元件將變形量放大并傳遞給顯示件，指針表盤(pán)可以隨時(shí)顯示扭矩的大小，以便操 作人員有

5、目的控制預(yù)緊力的大小。 2可讀式扭矩扳手的系統(tǒng)組成及工作原理 1—扭力軸2 —放大杠桿3 —扇形齒輪軸 4 —扇形齒輪5 —小齒輪 6—底板7--- 表盤(pán)8 —手柄 該扭矩扳手的系統(tǒng)可分為扭矩傳感器、放大元件、顯示器件等幾部分，如 圖1 所示，扭矩傳感器即是扭力軸，受力時(shí)發(fā)生彈性形變，變形量與扭矩成正比；放大 元件由放大杠桿、扇形齒輪、小齒輪等組成，將變形量放大并傳遞給顯示器件；顯 示器件主要是指針表盤(pán)，可顯示扭矩值的大小。 當(dāng)在手柄上施加一個(gè)載荷時(shí)，由于 扭力軸固定在被測(cè)工件上，所以扭力軸產(chǎn)生 一個(gè)二角扭轉(zhuǎn)變形，從而帶動(dòng)放大杠桿上的撥動(dòng)銷(xiāo)撥動(dòng)滑槽，帶動(dòng)扇形齒輪沿軸心轉(zhuǎn)

6、 動(dòng)，扇形齒輪帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，則小齒輪軸上的 指針也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣便可以在 面 板上讀出扭矩值。如果要進(jìn)行第二次測(cè)量，測(cè)量前首先調(diào)整 外殼，帶動(dòng)讀數(shù)面板， 指針對(duì)準(zhǔn)讀數(shù)面板上的零位。 1手柄桿長(zhǎng)度I的確定 F ■ ? f lim11 ■ =F 由題目要求得要測(cè)得的最大扭矩為 100 N.m，由式得 FI=100 N.m F為人手臂的拉力，由【機(jī)械手冊(cè)】可得成年男子最大手臂拉力為 703N,成年女子 最大手臂拉力為386N,長(zhǎng)時(shí)間用最大拉力手臂會(huì)發(fā)酸，綜合各種因素，應(yīng)取最大拉 力一半為宜，193N 要設(shè)計(jì)的扳手量程

7、為100 N.m，則手柄桿有效長(zhǎng)度為506mm而手柄桿的實(shí)際長(zhǎng)度再 加上手掌握時(shí)手掌寬的一半約為 550mm 可讀式扭矩扳手的扭力軸設(shè)計(jì) 扭力軸是扭矩扳手的關(guān)鍵元件，對(duì)扭矩扳手的精度，線性有較大影響，因此要求 扭力軸有較高的強(qiáng)度、彈性、屈服點(diǎn)及疲勞極限。 1扭力軸設(shè)計(jì)原理 為了保證扳手工作可靠，需要扭力軸具有適合的強(qiáng)度和剛度，根據(jù)材料力學(xué)理 論，實(shí)心扭力軸可按下式計(jì)算： L 讐亠 （式1） 16M A （式 2） 式中 ■-----扭力軸L長(zhǎng)轉(zhuǎn)角，弧度 M 扭矩，N.mm L 扭力軸工作長(zhǎng)度，mm d 扭力軸外徑，mm

8、 .—— 扭力軸剪切應(yīng)力， MPa/mm2 G 扭力軸材料切變彈性模量， MPa/ mm2 2扭力軸直徑d的計(jì)算 首先根據(jù)【機(jī)械手冊(cè)】選擇扭力軸材料為 60SiMnA，取參數(shù)為6=1568 Mp,， G=83.4Gpa ,E=2 105 MPa,」=0.25, a=0.028 根據(jù)公式.二蘭m v u可求出扭力軸直徑d,式中，［］扭力軸材料的許用應(yīng)力一般 r:d3 取;韋/5=313.6 M Pa d「16M 16 100 3.14 313.6 106 m=0.011751m 11.75mm 取整數(shù)d=12mm 3計(jì)算扭力軸工作長(zhǎng)度 首先確定扭力軸轉(zhuǎn)角

9、 二為0.03度，由公式 32ML 4 ■ Gd 得扭力軸工作長(zhǎng)度為 ◎4 32M m 二 0.04682m 二 46.8mm 8.34 1O10 3.14 （11.75 10 冷4 0.03 32"00 取整數(shù)L=45mm 4空心扭力軸計(jì)算 若扭力軸為圓管狀，即截面形狀為圓環(huán)，設(shè)內(nèi)徑與外徑之比為 0.2，即」-0.2 計(jì)算外徑 6M 4 a - ^1 16漢100 6 4 m=0.0ll76m =ll.76mm 3.14 313.6 106(1 -0.24) 取整數(shù)D=50mm 內(nèi)徑 d=D :=11.76 0.2mm=2.352mm 工作長(zhǎng)度: 4 4 I 二GD4(1 ： 4) 32M 10 3 4 4 m 二 0.468m = 46.8mm 8.34 10 3.14 (11.76 10 )4 (1 - 0.24) 0.03 32X00 取整數(shù)L=45mm 以上兩種扭轉(zhuǎn)軸相比較而言，空心軸更為節(jié)省材料，但加工比實(shí)心軸復(fù)雜, 所計(jì)算的扭力軸直徑較小，因此直接選用實(shí)心扭力軸。