一种螺栓拧紧方法转让专利
申请号 : CN202010337729.3
文献号 : CN113552910B
文献日 : 2022-02-01
发明人 : 狄志慧 , 张博譞 , 伊丽花
申请人 : 北京福田康明斯发动机有限公司
摘要 :
本发明提供一种螺栓拧紧方法，包括(1)建立横纵坐标；(2)设定起始扭矩值；(3)拧紧NOS角度值并计算该NOS角度值区间内的扭矩的平均值Ta；拧紧INC角度值；拧紧第二个NOS角度值并计算平均值Tb；(4)得到理论线性拉伸区角度起始值X1和终点对应的角度值为X2，从第二个NOS角度值终点继续旋转拧紧A‑(X2‑X1)，同时记录最终扭矩值；(5)基于预定试验次数的拧紧数据，对最终扭矩值进行统计学分布分析，设定最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值落入阈值范围判定拧紧合格，如果超出阈值范围即判定拧紧不合格。本发明可精确控制螺栓拧紧后的最终预紧力，最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终预紧力的影响，更好的实现预紧力的控制。
权利要求 :
1.一种螺栓拧紧方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立横纵坐标，横坐标为角度，纵坐标为扭矩，在横纵坐标中绘制螺栓拧紧曲线，并在所述螺栓拧紧曲线上确定贴合点；
(2)设定起始扭矩值，所述起始扭矩值大于贴合点处对应的扭矩值；
(3)当实际扭矩值大于起始扭矩值时，拧紧设备旋转拧紧一个NOS角度值，并计算该NOS角度值区间内的扭矩的平均值Ta；随后拧紧设备旋转拧紧INC角度值；然后拧紧设备再旋转拧紧第二个NOS角度值，并计算该NOS角度值区间内的扭矩的平均值Tb；
(4)将Ta与Tb连接直线，反向延长线与横坐标相交，得到理论线性拉伸区角度起始值X1；
螺栓拉伸至第二个NOS角度值终点对应的角度值为X2，拧紧设备从第二个NOS角度值终点继续旋转拧紧A‑(X2‑X1)，同时记录最终扭矩值，其中A为拧紧角度理论值；
(5)基于预定试验次数的拧紧数据，对最终扭矩值进行统计学分布分析，设定最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值落入该阈值范围，则判定拧紧合格，如果实际最终扭矩值超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
2.一种螺栓拧紧方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立横纵坐标，横坐标为角度，纵坐标为扭矩，在横纵坐标中绘制螺栓拧紧曲线，并在所述螺栓拧紧曲线上确定贴合点；
(2)设定起始扭矩值，所述起始扭矩值大于贴合点处对应的扭矩值；
(3)当实际扭矩值大于起始扭矩值时，拧紧设备旋转拧紧N次NOS角度值，每拧紧相邻两次NOS角度值之间，拧紧一次INC角度值，计算每个NOS角度值区间内的扭矩的平均值TN；N≥
3；
(4)将T1、T2直至TN的多个点进行线性拟合，反向延长线与横坐标相交，得到理论线性拉伸区角度起始值X1；螺栓拉伸至第N个NOS角度值终点对应的角度值为XN，拧紧设备从第N个NOS角度值终点继续旋转拧紧A‑(XN‑X1)，同时记录最终扭矩值，其中A为拧紧角度理论值；
(5)基于预定试验次数的拧紧数据，对最终扭矩值进行统计学分布分析，设定最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值落入该阈值范围，则判定拧紧合格，如果实际最终扭矩值超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
3.根据权利要求1或2所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述NOS角度值是根据拧紧曲线线性段的长短及拧紧数据统计分布分析确定的。
4.根据权利要求1或2所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述INC 角度值是根据拧紧曲线线性段的长短及拧紧数据统计分布分析确定的。
5.根据权利要求1或2所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，所述NOS角度值不等于‑INC 角度值。
6.根据权利要求1或2所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，拧紧角度理论值A的计算公式：
其中，A为拧紧角度理论值，F为螺栓所需提供的预紧力，E为螺栓材料的弹性模量，S为螺栓的横截面积，P为螺栓的螺距。
7.根据权利要求1或2所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，在步骤(5)中，当判定拧紧不合格时，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧失败。
8.根据权利要求1所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，A‑(X2‑X1)为正值。
9.根据权利要求2所述的螺栓拧紧方法，其特征在于，A‑(XN‑X1)为正值。
说明书 :
一种螺栓拧紧方法
技术领域
[0001] 本发明涉及螺纹连接技术，特别涉及一种螺栓拧紧方法。
背景技术
[0002] 螺栓轴力即拧紧螺帽使螺栓按照螺栓螺纹旋入螺纹孔的过程中，螺栓在弹性区间产生的弹力即为螺栓预紧力。由于预紧力无法直观的控制和监测，生产中一般均采用控制
扭矩或控制角度的方式来间接控制螺栓拧紧后的预紧力。
扭矩或控制角度的方式来间接控制螺栓拧紧后的预紧力。
[0003] 目前一般采用的方法有纯扭矩控制法和扭矩角度控制法，而扭矩角度控制的螺栓预紧力通常要比纯扭矩控制法的螺栓预紧力更精确，但以上两种方法均有部分拧紧过程是
采用扭矩控制，扭矩控制预紧力很大程度会受到摩擦系数的影响，而由于生产过程的局限，
摩擦系数无法实现很好的控制，这样导致实际生产中螺栓拧紧后的预紧力会出现较大偏
差。
采用扭矩控制，扭矩控制预紧力很大程度会受到摩擦系数的影响，而由于生产过程的局限，
摩擦系数无法实现很好的控制，这样导致实际生产中螺栓拧紧后的预紧力会出现较大偏
差。
[0004] 有鉴于此，本发明的发明人打破传统螺栓拧紧方法受到摩擦系数影响的局限性，为制造行业在关键螺栓预紧力的控制上提供一种更精确更稳定的拧紧方法。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终预紧力的影响，为制造行业在关键螺栓预紧力的控制上提供一种更精确更稳定的螺栓
拧紧方法。
拧紧方法。
[0006] 为达上述目的，本发明提供一种螺栓拧紧方法，其包括以下步骤：
[0007] (1)建立横纵坐标，横坐标为角度，纵坐标为扭矩，在横纵坐标中绘制螺栓拧紧曲线，并在所述螺栓拧紧曲线上确定贴合点；
[0008] (2)设定起始扭矩值，所述起始扭矩值大于贴合点处对应的扭矩值；
[0009] (3)当实际扭矩值大于起始扭矩值时，拧紧设备旋转拧紧一个NOS角度值，并计算该NOS角度值区间内的扭矩的平均值Ta；随后拧紧设备旋转拧紧INC角度值；然后拧紧设备
再旋转拧紧第二个NOS角度值，并计算该NOS角度值区间内的扭矩的平均值Tb；
再旋转拧紧第二个NOS角度值，并计算该NOS角度值区间内的扭矩的平均值Tb；
[0010] (4)将Ta与Tb连接直线，反向延长线与横坐标相交，得到理论线性拉伸区角度起始值X1；螺栓拉伸至第二个NOS角度值终点对应的角度值为X2，拧紧设备从第二个NOS角度值终
点继续旋转拧紧A‑(X2‑X1)，同时记录最终扭矩值，其中A为拧紧角度理论值；
点继续旋转拧紧A‑(X2‑X1)，同时记录最终扭矩值，其中A为拧紧角度理论值；
[0011] (5)基于预定试验次数的拧紧数据，对最终扭矩值进行统计学分布分析，设定最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值落入该阈值范围，则判定拧紧合格，如果实际最终扭矩值
超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
[0012] 本发明还提供一种螺栓拧紧方法，其包括以下步骤：
[0013] (1)建立横纵坐标，横坐标为角度，纵坐标为扭矩，在横纵坐标中绘制螺栓拧紧曲线，并在所述螺栓拧紧曲线上确定贴合点；
[0014] (2)设定起始扭矩值，所述起始扭矩值大于贴合点处对应的扭矩值；
[0015] (3)当实际扭矩值大于起始扭矩值时，拧紧设备旋转拧紧N次NOS角度值，每拧紧相邻两次NOS角度值之间，拧紧一次INC角度值，计算每个NOS角度值区间内的扭矩的平均值
TN；N≥3；
TN；N≥3；
[0016] (4)将T1、T2直至TN的多个点进行线性拟合，反向延长线与横坐标相交，得到理论线性拉伸区角度起始值X1；螺栓拉伸至第N个NOS角度值终点对应的角度值为XN，拧紧设备从第
N个NOS角度值终点继续旋转拧紧A‑(XN‑X1)，同时记录最终扭矩值，其中A为拧紧角度理论
值；
N个NOS角度值终点继续旋转拧紧A‑(XN‑X1)，同时记录最终扭矩值，其中A为拧紧角度理论
值；
[0017] (5)基于预定试验次数的拧紧数据，对最终扭矩值进行统计学分布分析，设定最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值落入该阈值范围，则判定拧紧合格，如果实际最终扭矩值
超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
[0018] 所述的螺栓拧紧方法，其中，所述NOS角度值是根据拧紧曲线线性段的长短及拧紧数据统计分布分析确定的。
[0019] 所述的螺栓拧紧方法，其中，所述INS角度值是根据拧紧曲线线性段的长短及拧紧数据统计分布分析确定的。
[0020] 所述的螺栓拧紧方法，其中，所述NOS角度值不等于INS角度值。
[0021] 所述的螺栓拧紧方法，其中，拧紧角度理论值A的计算公式：
[0022]
[0023] 其中，A为拧紧角度理论值，F为螺栓所需提供的预紧力，E为螺栓材料的弹性模量，S为螺栓的横截面积，P为螺栓的螺距。
[0024] 所述的螺栓拧紧方法，其中，在步骤(5)中，当判定拧紧不合格时，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧失败。
[0025] 所述的螺栓拧紧方法，其中，A‑(X2‑X1)为正值。
[0026] 所述的螺栓拧紧方法，其中，A‑(XN‑X1)为正值。
[0027] 本发明的有益效果是：本发明通过计算螺栓拧紧初期螺栓产生预紧力所转动的角度分量来实现螺栓拧紧的全角度控制，能更精确的控制螺栓的预紧力，为制造业的螺栓拧
紧提供一种全新的拧紧方法。本发明可广泛应用于制造行业，通过此方法可精确控制螺栓
拧紧后的最终预紧力，最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终预
紧力的影响，更好的实现预紧力的控制。
紧提供一种全新的拧紧方法。本发明可广泛应用于制造行业，通过此方法可精确控制螺栓
拧紧后的最终预紧力，最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩擦系数对最终预
紧力的影响，更好的实现预紧力的控制。
附图说明
[0028] 图1是扭矩+角度法的螺栓拧紧曲线的示意图；
[0029] 图2是根据本发明的投影角法的螺栓拧紧曲线的示意图。
具体实施方式
[0030] 在阐述本发明的技术方案之前，先对本领域的几个基本概念进行描述。
[0031] 扭矩拧紧法和扭矩+角度法是汽车发动机制造过程中最广泛使用的，相比于扭矩拧紧法，扭矩+角度法降低了摩擦对预紧力的影响，可以得到更稳定的轴向力。但是无论是
扭矩拧紧法还是扭矩+角度法，在控制过程中均有全部或部分拧紧过程是采用扭矩控制的，
即存在门槛扭矩(Threshold Torque)TT。
扭矩拧紧法还是扭矩+角度法，在控制过程中均有全部或部分拧紧过程是采用扭矩控制的，
即存在门槛扭矩(Threshold Torque)TT。
[0032] 具体请参见图1，其为扭矩+角度法螺栓拧紧曲线的示意图。门槛扭矩TT需落在弹性拉伸(Elastic Clamping)区间内，大于贴合点PS(Snug Point)处的扭矩。在门槛扭矩TT之
前通常称为“扭矩法阶段”，其产生的轴力与材料刚度、摩擦系数以及尺寸相关；在门槛扭矩
TT至合力扭矩(Resultant Torque)TR之间通常称为“角度法阶段”，其产生的轴力与材料刚
度以及尺寸相关，换言之，在“角度法阶段”摩擦系数的作用不明显。
前通常称为“扭矩法阶段”，其产生的轴力与材料刚度、摩擦系数以及尺寸相关；在门槛扭矩
TT至合力扭矩(Resultant Torque)TR之间通常称为“角度法阶段”，其产生的轴力与材料刚
度以及尺寸相关，换言之，在“角度法阶段”摩擦系数的作用不明显。
[0033] 由此可见，通过扭矩来控制预紧力在很大程度上会受到摩擦系数的影响，而由于生产过程的局限性，摩擦系数无法实现很好的控制，这样会使得在实际生产中螺栓拧紧后
的预紧力出现较大偏差，同时，门槛扭矩(Threshold Torque)越大，摩擦产生的影响越大。
的预紧力出现较大偏差，同时，门槛扭矩(Threshold Torque)越大，摩擦产生的影响越大。
[0034] 关于贴合点PS：螺栓在刚开始拧紧时，并未提供预紧力，仅需要以较小的扭矩克服摩擦力旋入。旋入的过程中，对手件的配合面之间的间隙逐渐被消除，直到某一点，配合面
完全贴合，这一点称为贴合点PS。如图1所示，在此横纵坐标中，横坐标为角度A，纵坐标为扭
矩T，贴合点PS位于螺栓拧紧曲线上，且贴合点PS是根据统计学分布分析计算得出的。螺栓在
拧紧过程中，一旦拧紧力矩大于等于贴合点PS，拉伸力矩T与旋转角度A成理论线性关系，斜
率为K。
完全贴合，这一点称为贴合点PS。如图1所示，在此横纵坐标中，横坐标为角度A，纵坐标为扭
矩T，贴合点PS位于螺栓拧紧曲线上，且贴合点PS是根据统计学分布分析计算得出的。螺栓在
拧紧过程中，一旦拧紧力矩大于等于贴合点PS，拉伸力矩T与旋转角度A成理论线性关系，斜
率为K。
[0035] 关于拧紧角度理论值A：假设螺栓从开始拉伸，对手件之间的配合面已经贴合，那么，螺栓从开始便直接进入弹性线性拉伸区域直至到达屈服点(Yield Point)PY之前，拧紧
角度便与预紧力成理论线性关系。拧紧角度理论值A的计算公式：
角度便与预紧力成理论线性关系。拧紧角度理论值A的计算公式：
[0036]
[0037] 其中，A为拧紧角度理论值，F为螺栓所需提供的预紧力，E为螺栓材料的弹性模量，S为螺栓的横截面积，P为螺栓的螺距。
[0038] 实际应用中，考虑到螺栓的批次、个体差异，会参照理论值，并基于大量实际最终预紧力的数据统计结果，利用统计学分布计算分析，修正计算值，最终给出一个合理的线性
区螺栓拧紧角度值A，以期得到理想的最终预紧力F。
区螺栓拧紧角度值A，以期得到理想的最终预紧力F。
[0039] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。基于上述概念的描述，为了消除拧紧在扭矩拧紧法的初始阶段摩擦系数等差异造成的离散影响，换言之，即为了消除门槛扭矩TT
的影响，利用自动拧紧设备的计算、分析功能，发明出了一种新型的螺栓拧紧方法——投影
角法(Project Angle Method，简称PA法)。
的影响，利用自动拧紧设备的计算、分析功能，发明出了一种新型的螺栓拧紧方法——投影
角法(Project Angle Method，简称PA法)。
[0040] 请参见图2，其为根据本发明的投影角法的螺栓拧紧曲线的示意图。基于对一定量拧紧数据的统计分布分析，首先建立横纵坐标，横坐标为角度A，纵坐标为扭矩T。在横纵坐
标中根据实际拧紧过程的角度及扭矩变化绘制螺栓拧紧曲线。由于贴合点PS代表螺栓在旋
入的过程中配合面完全贴合的位置，因此贴合点PS一定位于螺栓拧紧曲线上。根据统计学
分布分析计算得出贴合点PS后在螺栓拧紧曲线上确定贴合点PS，设定一个大于贴合点PS处
对应扭矩值的的扭矩值TC，当实际扭矩值T大于TC后，拧紧设备旋转拧紧一个NOS角度值(预
设角度值)，其中NOS角度值是根据拧紧曲线线性段的长短及拧紧数据统计分布分析确定
的，利用计算机计算该NOS区间内的扭矩的平均值Ta。随后，拧紧设备旋转拧紧一个INC角度
值(增量角度值)，需要说明的是，INC角度值的确定方式与NOS角度值同理，但是优选为INC
角度值不等于NOS角度值，从而使得计算结果更加准确。然后，拧紧设备旋转拧紧第二个NOS
角度值，同样，利用计算机计算该NOS区间内的扭矩的平均值Tb，计算机将Ta与Tb值连接直
线，反向延长线与横坐标相交，得到理论线性拉伸区角度起始值X1(此时扭矩为零)。因为扭
矩为零，由回归得到的理论线性拉伸区角度起始值X1，实际上就是拧紧角度理论值A的起
点，即螺栓进入弹性线性拉伸区的起点。
标中根据实际拧紧过程的角度及扭矩变化绘制螺栓拧紧曲线。由于贴合点PS代表螺栓在旋
入的过程中配合面完全贴合的位置，因此贴合点PS一定位于螺栓拧紧曲线上。根据统计学
分布分析计算得出贴合点PS后在螺栓拧紧曲线上确定贴合点PS，设定一个大于贴合点PS处
对应扭矩值的的扭矩值TC，当实际扭矩值T大于TC后，拧紧设备旋转拧紧一个NOS角度值(预
设角度值)，其中NOS角度值是根据拧紧曲线线性段的长短及拧紧数据统计分布分析确定
的，利用计算机计算该NOS区间内的扭矩的平均值Ta。随后，拧紧设备旋转拧紧一个INC角度
值(增量角度值)，需要说明的是，INC角度值的确定方式与NOS角度值同理，但是优选为INC
角度值不等于NOS角度值，从而使得计算结果更加准确。然后，拧紧设备旋转拧紧第二个NOS
角度值，同样，利用计算机计算该NOS区间内的扭矩的平均值Tb，计算机将Ta与Tb值连接直
线，反向延长线与横坐标相交，得到理论线性拉伸区角度起始值X1(此时扭矩为零)。因为扭
矩为零，由回归得到的理论线性拉伸区角度起始值X1，实际上就是拧紧角度理论值A的起
点，即螺栓进入弹性线性拉伸区的起点。
[0041] 螺栓拉伸至第二个NOS角度值终点对应的角度值为X2，即理论线性拉伸区角度终点值X2，X2‑X1为螺栓在理论线性拉伸曲线上已经完成拉伸的角度，然后，拧紧设备在第二个
NOS终点继续旋转拧紧A‑(X2‑X1)，同时记录最终扭矩值TF，完成整个螺栓拧紧过程，这相当
于完全在线性区域拧紧了完整的角度A。
NOS终点继续旋转拧紧A‑(X2‑X1)，同时记录最终扭矩值TF，完成整个螺栓拧紧过程，这相当
于完全在线性区域拧紧了完整的角度A。
[0042] 同样地，基于一定量的拧紧数据，对最终扭矩值TF进行统计学分布分析，设定合理的拧紧最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值落入阈值范围，则可判定拧紧合格，反之，如
果实际最终扭矩值超出阈值范围，即可判定拧紧不合格，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧
失败。
果实际最终扭矩值超出阈值范围，即可判定拧紧不合格，拧紧设备发出报警信号，宣告拧紧
失败。
[0043] 此外，本发明还提供一种实施例，包括以下步骤：
[0044] (1)建立横纵坐标，横坐标为角度，纵坐标为扭矩，并在横纵坐标中确定贴合点；
[0045] (2)设定起始扭矩值，所述起始扭矩值大于贴合点处对应的扭矩值；
[0046] (3)当实际扭矩值大于起始扭矩值时，拧紧设备旋转拧紧N次NOS角度值，每拧紧相邻两次NOS角度值之间，拧紧一次INC角度值，计算每个NOS角度值区间内的扭矩的平均值
TN；N≥3；
TN；N≥3；
[0047] (4)将T1、T2直至TN的多个点进行线性拟合，反向延长线与横坐标相交，得到理论线性拉伸区角度起始值X1；螺栓拉伸至第N个NOS角度值终点对应的角度值为XN，拧紧设备从第
N个NOS角度值终点继续旋转拧紧A‑(XN‑X1)，同时记录最终扭矩值，其中A为拧紧角度理论
值；
N个NOS角度值终点继续旋转拧紧A‑(XN‑X1)，同时记录最终扭矩值，其中A为拧紧角度理论
值；
[0048] (5)基于预定试验次数的拧紧数据，对最终扭矩值进行统计学分布分析，设定最终扭矩阈值范围，当实际最终扭矩值落入该阈值范围，则判定拧紧合格，如果实际最终扭矩值
超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
超出阈值范围，即判定拧紧不合格。
[0049] 综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明通过计算螺栓拧紧初期螺栓产生预紧力所转动的角度分量来实现螺栓拧紧的全角度控制，能更精确的控制螺栓的预紧力，为
制造业的螺栓拧紧提供一种全新的拧紧方法。本发明可广泛应用于制造行业，通过此方法
可精确控制螺栓拧紧后的最终预紧力，最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩
擦系数对最终预紧力的影响，更好的实现预紧力的控制。
制造业的螺栓拧紧提供一种全新的拧紧方法。本发明可广泛应用于制造行业，通过此方法
可精确控制螺栓拧紧后的最终预紧力，最大限度的消除传统拧紧方法中螺栓及夹紧件的摩
擦系数对最终预紧力的影响，更好的实现预紧力的控制。
[0050] 虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲
突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文
中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文
中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。