新型定力矩套筒的設計仿真及實驗

林楠 張秀娟 王大萌

[摘?要]?在生活生產中常用的擰緊螺栓的工具中，高效的螺栓擰緊工具無法做到定力矩擰緊，而具有定力矩功能的螺栓擰緊工具價格昂貴且效率不高，需要設計一款高效可靠的定力矩套筒。首先，建立三維模型，對其工作原理進行詳細的說明，為后續的有限元分析提供參考;其次，利用ABAQUS進行顯式動力學分析，檢查材料是否容易損壞;最后，經過仿真和實驗，表明此定力矩套筒具有一定的定力矩擰緊功能，且成本低、操作簡單，適合用于低速旋轉的場合中。

[關鍵詞]?定力矩;套筒;顯式動力學

[中圖分類號]?TH 135??[文獻標志碼]?A??[文章編號]?1005-0310（2020）02-0020-06

Design and Simulation of a New Type of Fixed Torque Sleeve

Lin Nan，Zhang Xiujuan，Wang Dameng

（School of Mechanical Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian Liaoning 116028， China）

Abstract： Among the bolt tightening tools commonly used in life production， the efficient bolt tightening tool cannot achieve the fixed torque tightening， but the bolt tightening tool with the fixed torque function is expensive and inefficient. Therefore it is necessary to design an efficient and reliable fixed torque sleeve. Firstly， a three-dimensional model is established and its working principle is explained in detail to provide reference for the subsequent finite element analysis; secondly， the explicit dynamic analysis using ABAQUS is used to check whether the material is easily damaged; finally， after simulation and experiment， it is found that the fixed torque sleeve has certain fixed torque tightening function， is low in cost and simple to operate and suitable for occasions with low-speed rotation.

Keywords： Fixed torque;Sleeve;Explicit dynamics

[收稿日期]?2019-12-29

[作者簡介]?林楠（1995—），男，遼寧大連人，大連交通大學機械工程學院碩士研究生，主要研究方向為機械設計及理論;張秀娟（1971—），女，遼寧大連人，大連交通大學機械工程學院教授，博士，主要研究方向為機械設計及理論;王大萌（1993—），男，遼寧遼陽人，大連交通大學機械工程學院碩士研究生，主要研究方向為機械設計及理論。E-mail：1351828707@qq.com

0?引言

螺紋連接具有很廣泛的應用，在對螺栓擰緊的過程中，保證上緊后的螺栓預緊力可控是確保螺紋連接可靠的關鍵，否則可能出現超擰或者欠擰的現象，超擰可能會使螺栓副發生斷裂或延遲斷裂等嚴重的問題，而欠擰可能會造成螺栓副在長時間受力后出現松動的情況[1-2]。在很多情況下，需要定力矩上緊的螺栓由于其他結構遮擋，普通力矩扳手沒有足夠的回轉空間，需要拆卸遮擋的部件才能正常使用，這就造成了許多不便。目前，常用的定力矩螺栓擰緊方法有以下兩種：普通定力矩扳手，需要較大回轉空間，效率低;電動定力矩扳手，價格約為3 000元以上，空載轉速為10～30 r/min，價格較高，效率較低。據了解，普通電動扳手尺寸小，價格低，操作簡單，但無法保證定力矩輸出。如果在普通電動扳手上加裝定力矩套筒，就可以兼顧使用空間和成本。

1?研究現狀

楊德勇設計了一款定力矩氣動扳手，通過獨創的片簧-轉子機構實現定力矩，并使預置力矩可調[3]。歐陽俊在研究大型數顯氣動扭矩扳手中，通過行星輪系提高輸出扭矩，利用電磁傳感器對轉角進行扭矩控制，通過報警裝置與顯示屏聯合反饋擰緊力矩的情況[4]。張勝生研發了一款低扭矩數顯扳手，利用電阻應變式扭矩傳感器檢測扭矩并顯示到屏幕上，用聲光報警的方式實現過力矩提示[5]。李晶設計了一款基于霍爾傳感器監測控制扭矩的電動扳手，處理后的扭矩信息通過數碼管進行顯示，該扳手整體控制功能簡單，控制精度稍低[6]。李金梁應用LABVIEW作為上位機編程軟件，并且利用ZigBee協議實現底層控制設備和上位機的無線數據傳輸功能[7]。李葉青開發了一款數控定力矩扳手，輸出扭矩為800～3 200 N·m，誤差低于3%[8]。張振京利用轉角輔助控制功能，研究出一種電動定力矩扳手，并保證了可靠性和安全性[9]。

但是，上述這些研究并沒有得到廣泛應用，電子式控制扳手雖然精確，但傳感器等元件不便于維護，轉角控制法雖然控制精準但成本過高。本文擬在已有研究的基礎上，進行機械式套筒的設計研究，以實現更高的可靠性及耐用性，更適合在環境條件較差的場所使用，同時也便于降低成本，減小維護難度。

2?定力矩套筒的設計

2.1?三維模型的建立

用三維繪圖軟件SolidWorks對零件進行三維建模并裝配，裝配圖如圖1所示，爆炸圖如圖2所示。

2.2?工作原理

將定力矩套筒中軸下端的內六角型凹槽嵌入待上緊螺栓頭，再使用扳手等上緊工具對上殼體施加扭矩，當螺栓上緊到一定力矩值后，力矩套筒內部的機械結構打滑，停止對螺栓繼續施力。

3組彈簧將金屬球擠入中軸的凹槽中，當力矩過大，中軸凹坑與金屬球接觸力增大，沿壓縮彈簧方向的分力也會增大，彈簧被壓縮，金屬球脫離凹槽使連接螺栓的中軸相對于殼體滑動，實現定力矩。使用蝸輪蝸桿機構調整蝸輪圈，蝸輪圈內側為凸輪，當蝸桿帶動蝸輪轉動時，凸輪擠壓外側金屬小球調整彈簧壓縮量，實現卸荷力矩可微調。其機械結構圖如圖3所示，三維剖視圖如圖4所示。

3?定力矩機構的有限元分析

3.1?ABAQUS顯式動力學

ABAQUS顯式動力學分析產生于實際工程需要，它是一種準確的動態求解方法。相對于隱式動力學分析，顯式算法特別適合求解非線性動力學問題，并且節省計算機資源，能高效地解決復雜的問題[10]，所以本文使用顯示動力學算法分析和解決卸荷機構的接觸碰撞問題。

ABAQUS/Explicit中的顯式動力學分析過程基于顯式分析準則與對角單元質量矩陣共同實現。物體的運動方程式由式（1）和式（2）所示的顯式中心差分法的積分準則集成。

u·（i+12）=u·（i-12）+△t（i+1）+△t（i）2u¨（i），（1）

u（i+1）=u（i）+△t（i+1）u·（i+12）。（2）

式中，u為位移，u·為速度，u¨為加速度，上標i表示增量編號，i-12和i+12表示中間增量值。使用前一增量步已知的u·（i-12）和u¨（i）可以計算下一增量步的運動狀態，中心差分計算子在這個計算過程中是顯式的[11]。

3.2?工作狀態分析

對定力矩機構分為兩個階段分析：第一階段，當金屬球均處于凹槽內，逐漸增大扭矩，直到金屬球脫離凹槽實現打滑，分析螺栓套筒將螺栓擰緊后打滑的過程;第二階段，中軸打滑后，分析金屬球繼續撞擊凹槽的過程。

3.2.1?第一階段

1） 前處理

為分析中軸凹槽與金屬球接觸位置的應力，將上殼體和中軸簡化，只留下有用的零件和特征，并對各零件劃分網格，網格類型選用C3D8單元，劃分網格后的模型如圖5所示。

將所有零件的材料統一設置為45號鋼，其材料參數如表1所示。

首先，建立一個顯式動力學分析步，分析時長為0.01 s，場變量輸出50個畫面。

其次，創建通用接觸，將整個模型的表面都設置為接觸表面。由于金屬球表面較光滑，因此法向接觸屬性為硬接觸，切向接觸屬性為無摩擦。對3個金屬球和上殼體添加剛體約束，再創建一個參考點與中軸下表面耦合。因為金屬球和上殼體為剛體，無法添加彈簧，因此在連接器中創建彈性軸代替彈簧，勁度系數為2 N/mm。

然后，施加載荷：給3個金屬球向中軸方向施加40 N的集中力，模擬彈簧給金屬球的壓力;在中軸下表面的耦合點施加扭矩，設置扭矩的振幅特性，從開始的0時刻到0.01 s結束期間，扭矩從0.03 N·m均勻增加到3 N·m，模擬逐漸施加扭矩的過程。

最后，添加邊界條件：給上殼體添加全約束，僅讓中軸有繞軸旋轉的自由度和金屬球沿滑道方向水平移動的自由度。

2） 結果分析

如圖6所示，根據消隱了金屬球后的Mises應力云圖顯示，第一階段的最大應力發生在0.008 2 s時刻，位于凹槽側棱上與金屬球接觸點處，最大應力值為581.0 MPa。

圖7所示為中軸的最大主應變云圖，第一階段的最大應變發生的時間和位置與最大應力相同，最大值為1.76×10-3 mm。

通過圖8最大應力值隨時間變化的圖像可以看出，從0時刻到0.008 s，隨著力矩不斷增大，最大應力也不斷增大;在0.008 2 s時，力矩增大到特定值，金屬球被擠開，導致凹槽側棱與金屬球形成點接觸，接觸面積變小，最大應力陡增，出現波峰值;而后，金屬球被彈開，應力又逐漸減小。

選取中軸外側圓柱面一點，繪制移動距離隨時間變化的圖像如圖9所示，其意義在于通過點的移動距離可反映出中軸的旋轉狀態。通過分析圖像可知，中軸在0.007～0.008 s之間開始轉動，其轉速逐漸增大。

選取一個金屬球的球心點，繪制移動距離隨時間變化圖像如圖10所示，其反映出金屬球在徑向方向上的運動狀態。通過分析圖像可知，中軸在0.007～0.008 s之間開始彈出，其轉速逐漸增大，彈出過程用時0.003 s。

3.2.2?第二階段

1） 前處理

將初始位置設定為金屬球即將落入凹槽前的瞬間，劃分網格如圖11所示。

建立一個顯式動力學分析步，分析時長為0.002 s，場變量輸出60個畫面。

施加載荷的步驟為：由于3個彈簧與第一階段相比被進一步壓縮，壓縮量為△x=4.5 mm，由胡克定律F=kx，得增加的彈簧壓力為△F=2×4.5=9 N，給3個金屬球向中軸方向施加39 N的集中力，模擬彈簧給金屬球的壓力;在中軸下表面的耦合點施加1 N·m的扭矩。其余設置與第一階段一致。

2） 結果分析

如圖12所示，根據Mises應力云圖顯示，第二階段的最大應力發生在0.008 3 s時刻，同樣位于凹槽側棱上與金屬球接觸點處，最大應力值為8 492 MPa。

最大主應變云圖如圖13所示，第二階段的最大應變發生的時間和位置與最大應力相同，大小為0.022 mm。

選取中軸外側圓柱面一點，繪制移動距離隨時間變化的圖像如圖14所示。通過分析圖像可知，中軸在0時刻加速轉動，在8×10-4 s時金屬球與中軸凹槽側棱發生碰撞，撞擊力對中軸產生了反向力矩使其反向轉動，并于1.4×10-3 s時刻停止轉動后恢復正向加速旋轉。

4?實驗及結論

為驗證有限元仿真結果的可靠性，需要制作模型加以實驗，非標準件采用3D打印制造，標準件從市場采購并組裝得到。

實驗過程為：將M 16螺栓旋入配套的螺母，并在螺栓尾端留有一定距離;旋入第二個螺母，并將其固定在臺面上，用定力矩套筒扣在螺栓頭部，使用扳手對定力矩套筒施加力矩將螺栓擰緊;螺栓擰緊后，螺栓尾端第一個螺母將第二個螺母鎖緊，表示擰緊完成。零部件組裝與實驗圖如圖15所示。

實驗結果如圖16所示。一方面，螺栓尾端兩螺母輕微接觸后，定力矩套筒開始空轉打滑，這意味著此機構具有定力矩效果，但卸荷力矩過小，難以滿足要求。另一方面，實驗結束后，對零件進行拆分檢查，發現中軸凹槽處被壓潰變形，形成凹坑，這是由于金屬球與中軸凹槽側棱的接觸應力較大導致。由于塑料材質較軟，變形處更為明顯，發生變形的區域與有限元分析的結果一致，證明了有限元仿真的正確性。

利用ABAQUS軟件的顯式動力學分析，本文設計的定力矩套筒能夠起到有效的定力矩作用，但卸荷力矩過小，僅3 N·m。根據仿真得出的應力數據，金屬球在從凹槽脫離和金屬球再次撞擊凹槽兩種情況下，凹槽側棱應力均較大，會導致材料變形及損壞，實驗結果也證實了這一點。經過進一步分析，表明此定力矩套筒能夠在小力矩、低轉速的條件下實現定力矩卸荷功能，且成本低、操作簡單，無需調節正反轉，安全可靠，能夠滿足日常螺栓擰緊的需求。

[參考文獻]

[1]?沈家華，張洪玉，何曙光.電動扳手的發展與鋼結構中高強度螺栓施擰技術的提高[J].電動工具，2015（S1）：19-20.

[2]?楊武成，宋文學，羅庚合，等.扭矩扳手檢定儀的研究現狀與發展趨勢[J].儀表技術，2013（8）：48-49.

[3]?楊德勇.新型定扭矩氣動扳手及其參數化CAD研究[D].鎮江：江蘇大學，2002.

[4]?歐陽俊.大型數顯氣動扭矩扳手的研制[D].成都：西華大學，2011.

[5]?張勝生.低扭矩數顯扳手的研制[D].成都：西華大學，2012.

[6]?李晶.智能電動扳手控制系統設計[D].武漢：武漢科技大學，2012.

[7]?李金梁.基于無線傳輸的大扭矩數顯扳手的研究[D].成都：西華大學，2013.

[8]?李葉青.便攜式數控定扭矩扳手控制器的研究與開發[D].合肥：安徽大學，2018.

[9]?張振京.高強度螺栓電動定扭矩擰緊扳手測控系統設計[D].濟南：山東大學，2018.

[10]?袁星星.基于ABAQUS顯式分析下的船舶撞擊橋梁上部結構研究[D].西安：長安大學，2019.

[11]?江丙云，孔祥宏，羅元元.CAE分析大系：ABAQUS工程實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2014.

（責任編輯?白麗媛）