接頭力矩傳遞分析及對擰緊力矩的影響

繆興龍

（南京鋼鐵集團(tuán)冶金鑄造有限公司， 江蘇 南京 211500）

0 引言

在進(jìn)行工藝產(chǎn)品的設(shè)計中，為了能夠滿足性能、結(jié)構(gòu)、外觀等方面的需求，針對部分零件在布置的過程中犧牲了其部分裝配空間[1]。但這一類工具往往是提升裝配質(zhì)量的關(guān)鍵部件，并且在裝配中需要通過大量裝配驗(yàn)證試驗(yàn)的方式才能夠給出更合理的裝配結(jié)論。萬向接頭在使用的過程中基于其力矩傳遞的理論，發(fā)揮其實(shí)際作用[2]。接頭上包含主動軸結(jié)構(gòu)、從動軸結(jié)構(gòu)、滾針軸承結(jié)構(gòu)等部件[3]。為了進(jìn)一步探究接頭力矩傳遞過程中對擰緊力矩的影響，本文以萬向接頭為例，針對其在使用過程中力矩的傳遞探究擰緊力矩的變化。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)研究對象

基于本文研究目的，選擇將萬向接頭作為研究對象，選擇某汽車通用的WF46800 型號十字軸萬向接頭，該接頭的尺寸為33 mm×92 mm，精密度為0.01 mm，材質(zhì)為20CR。該接頭結(jié)構(gòu)中，軸承內(nèi)部帶有滾針，能夠使小軸承更加潤滑且具備更高耐磨性；軸承外部做工平滑且細(xì)膩，在出廠時為其配備了油嘴結(jié)構(gòu)，并自帶油眼、小軸承等結(jié)構(gòu)，能夠使加油更加均勻，方便裝配，具備極強(qiáng)的適用性[4]。同時，WF46800 型號十字軸萬向接頭在實(shí)際應(yīng)用中具備低噪聲、精密度高、轉(zhuǎn)速快等優(yōu)勢，因此其在各個領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用表現(xiàn)都十分良好，選擇將該接頭結(jié)構(gòu)作為研究對象，研究得出的結(jié)果更具普遍性。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

在試驗(yàn)過程中，為實(shí)現(xiàn)對接頭力矩的測定以及對擰緊力矩的測量，需要采用力矩傳感器測量儀。為了確保試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果更精準(zhǔn)，選擇精度為0.01 N·m的Forsentek-460 型號力矩傳感器測量儀作為試驗(yàn)所需設(shè)備。Forsentek-460 型號力矩傳感器測量儀的測量范圍在0～0.2 N·m、0～1 N·m、0～2 N·m 內(nèi)可選，非線性誤差不超過滿量程的0.2%。利用位于Forsentek-460 型號力矩傳感器測量儀兩端的法蘭實(shí)現(xiàn)對傳感器的固定，并實(shí)現(xiàn)對十字軸萬向接頭的連接，通過施加扭力達(dá)到對接頭力矩和擰緊力矩測量的目的。為方便試驗(yàn)操作，在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段為Forsentek-460 型號力矩傳感器測量儀配備傳感器信號放大器，通過放大器輸出0～5 V/0～10 V/4～20 mA 的模擬量信號，以此方便對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和對Forsentek-460 型號力矩傳感器測量儀的PLC 通知，通過選配的顯示儀表實(shí)現(xiàn)對力矩數(shù)值大小的直觀顯示[5]。表1 為Forsentek-460 型號力矩傳感器測量儀基本性能參數(shù)記錄。

表1 力矩傳感器測量儀基本性能參數(shù)記錄

利用具備上述基本性能的力矩傳感器測量儀實(shí)現(xiàn)對接頭力矩和擰緊力矩的測定，以此為試驗(yàn)提供更可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.3 試驗(yàn)方法

為實(shí)現(xiàn)對擰緊力矩影響的探究，需要明確接頭在使用過程中力矩的傳遞情況，在不計接頭相互之間產(chǎn)生的摩擦損失的情況下，對其輸入功率進(jìn)行測定，其公式為：

式中：P 為WF46800 型號十字軸萬向接頭主動軸的輸入功率；P0為WF46800 型號十字軸萬向接頭從動軸的輸出功率。

從式（1）可以看出，接頭輸入功率與輸出功率一致。結(jié)合式（1），再通過分析功率產(chǎn)生的原理得出功率的計算公式為：

式中：ω 為WF46800 型號十字軸萬向接頭主動軸在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的角速度；T 為主動軸在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的力矩；ω0為從動軸在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的角速度；T0為從動軸在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的力矩。

通過式（2）進(jìn)一步分析得出，接頭在運(yùn)行過程中，其力矩與角速度之間呈逆向相關(guān)關(guān)系。在明確力矩與角速度之間的關(guān)系后，利用上述選擇的Forsentek-460型號力矩傳感器測量儀對接頭在不同旋轉(zhuǎn)角度下的螺栓擰緊力矩進(jìn)行測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 接頭力矩傳遞分析

根據(jù)上述試驗(yàn)準(zhǔn)備，結(jié)合得到的試驗(yàn)結(jié)果對接頭力矩傳遞進(jìn)行分析，在試驗(yàn)過程中設(shè)置了多種旋轉(zhuǎn)角度條件，如圖1 所示。

圖1 接頭旋轉(zhuǎn)角度示意圖

圖1 中θ 為旋轉(zhuǎn)角度，結(jié)合圖1 所示的接頭旋轉(zhuǎn)條件，將試驗(yàn)過程中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，方便對其進(jìn)行分析。表2 為不同旋轉(zhuǎn)角度條件下，通過計算和Forsentek-460 型號力矩傳感器測量儀測量得到的力矩測量值結(jié)果記錄。

表2 不同旋轉(zhuǎn)角度接頭力矩測量值結(jié)果記錄

選擇的WF46800 型號十字軸萬向接頭力矩為（30.00±2）N·m，而設(shè)定輸入的力矩數(shù)值為30.00 N·m。表2 中5 組不同旋轉(zhuǎn)角度下，通過測量得出接頭力矩的理論值依次為31.30～32.58 N·m、30.82～33.52 N·m、28.93～31.25 N·m、28.26～30.51 N·m、28.05～29.52 N·m。從表2 中得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，當(dāng)接頭旋轉(zhuǎn)角度為20 ℃時，此時接頭力矩測量平均值更接近輸入的力矩數(shù)值，并且最小值也在理論范圍內(nèi)。其余幾組旋轉(zhuǎn)角度條件下，接頭力矩的最小值均未達(dá)到理論數(shù)值的最低限值水平或處于理論數(shù)值偏低范圍內(nèi)。因此，通過上述得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠初步證明，當(dāng)接頭的旋轉(zhuǎn)角度為20°時，此時十字軸萬向接頭能夠達(dá)到最理想的力矩效果。

2.2 接頭力矩傳遞對擰緊力矩的影響分析

通過上述得出的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析其對擰緊力矩的影響。當(dāng)十字軸萬向接頭在旋轉(zhuǎn)過程中的角度在20°以下時，此時其力矩的平均值能夠符合對螺栓擰緊的力矩要求，并且此時接頭的力矩最小值也能夠確保在理論力矩的合理范圍內(nèi)，力矩傳遞過程中也不會對擰緊力矩造成影響。當(dāng)接頭旋轉(zhuǎn)角度超過20°，并達(dá)到25°時，此時螺栓結(jié)構(gòu)上得到的力矩，能夠達(dá)到擰緊力矩需求效果，但接頭力矩的最小值處于理論范圍偏低界限上，此時會出現(xiàn)力矩不合格情況，并影響到擰緊力矩，使得螺栓無法擰緊。當(dāng)接頭旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到30°時，此時螺栓的力矩最小值低于理論標(biāo)準(zhǔn)范圍，在實(shí)際應(yīng)用中會影響到螺栓擰緊力矩，造成無法達(dá)到螺栓擰緊效果的問題產(chǎn)生。通過上述試驗(yàn)綜合得出，當(dāng)接頭力矩在理論標(biāo)準(zhǔn)范圍以下時，存在接頭連接位置上出現(xiàn)力矩不符合需求的問題，并且通過增加接頭的方式不具備可行性，還會造成產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。因此應(yīng)當(dāng)在進(jìn)行接頭連接時將旋轉(zhuǎn)角度控制在20°以內(nèi)，以此確保其不會對擰緊力矩造成影響，確保產(chǎn)品整體質(zhì)量。

3 結(jié)語

本文針對接頭力矩傳遞過程中對擰緊力矩影響情況進(jìn)行了深入探究，并通過試驗(yàn)的方式得出了具體的影響結(jié)論。但在研究過程中，針對接頭力矩傳遞中力矩的測定并沒有考慮到多個接頭相互之間的摩擦力，因此在計算接頭力矩時可能存在一定誤差，使得最終試驗(yàn)得出的結(jié)果精度無法得到保障。因此，為了進(jìn)一步提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度，在后續(xù)的研究中針對這一方面問題還將進(jìn)行更深入研究，從而使試驗(yàn)得出的結(jié)果更具利用價值。