接头力矩传递分析及对拧紧力矩的影响

缪兴龙

（南京钢铁集团冶金铸造有限公司， 江苏 南京 211500）

0 引言

在进行工艺产品的设计中，为了能够满足性能、结构、外观等方面的需求，针对部分零件在布置的过程中牺牲了其部分装配空间[1]。但这一类工具往往是提升装配质量的关键部件，并且在装配中需要通过大量装配验证试验的方式才能够给出更合理的装配结论。万向接头在使用的过程中基于其力矩传递的理论，发挥其实际作用[2]。接头上包含主动轴结构、从动轴结构、滚针轴承结构等部件[3]。为了进一步探究接头力矩传递过程中对拧紧力矩的影响，本文以万向接头为例，针对其在使用过程中力矩的传递探究拧紧力矩的变化。

1 试验与方法

1.1 试验研究对象

基于本文研究目的，选择将万向接头作为研究对象，选择某汽车通用的WF46800 型号十字轴万向接头，该接头的尺寸为33 mm×92 mm，精密度为0.01 mm，材质为20CR。该接头结构中，轴承内部带有滚针，能够使小轴承更加润滑且具备更高耐磨性；轴承外部做工平滑且细腻，在出厂时为其配备了油嘴结构，并自带油眼、小轴承等结构，能够使加油更加均匀，方便装配，具备极强的适用性[4]。同时，WF46800 型号十字轴万向接头在实际应用中具备低噪声、精密度高、转速快等优势，因此其在各个领域当中的应用表现都十分良好，选择将该接头结构作为研究对象，研究得出的结果更具普遍性。

1.2 试验材料与设备

在试验过程中，为实现对接头力矩的测定以及对拧紧力矩的测量，需要采用力矩传感器测量仪。为了确保试验得出的数据结果更精准，选择精度为0.01 N·m的Forsentek-460 型号力矩传感器测量仪作为试验所需设备。Forsentek-460 型号力矩传感器测量仪的测量范围在0～0.2 N·m、0～1 N·m、0～2 N·m 内可选，非线性误差不超过满量程的0.2%。利用位于Forsentek-460 型号力矩传感器测量仪两端的法兰实现对传感器的固定，并实现对十字轴万向接头的连接，通过施加扭力达到对接头力矩和拧紧力矩测量的目的。为方便试验操作，在试验准备阶段为Forsentek-460 型号力矩传感器测量仪配备传感器信号放大器，通过放大器输出0～5 V/0～10 V/4～20 mA 的模拟量信号，以此方便对试验数据的采集和对Forsentek-460 型号力矩传感器测量仪的PLC 通知，通过选配的显示仪表实现对力矩数值大小的直观显示[5]。表1 为Forsentek-460 型号力矩传感器测量仪基本性能参数记录。

表1 力矩传感器测量仪基本性能参数记录

利用具备上述基本性能的力矩传感器测量仪实现对接头力矩和拧紧力矩的测定，以此为试验提供更可靠数据依据。

1.3 试验方法

为实现对拧紧力矩影响的探究，需要明确接头在使用过程中力矩的传递情况，在不计接头相互之间产生的摩擦损失的情况下，对其输入功率进行测定，其公式为：

式中：P 为WF46800 型号十字轴万向接头主动轴的输入功率；P0为WF46800 型号十字轴万向接头从动轴的输出功率。

从式（1）可以看出，接头输入功率与输出功率一致。结合式（1），再通过分析功率产生的原理得出功率的计算公式为：

式中：ω 为WF46800 型号十字轴万向接头主动轴在运行过程中产生的角速度；T 为主动轴在运行过程中产生的力矩；ω0为从动轴在运行过程中产生的角速度；T0为从动轴在运行过程中产生的力矩。

通过式（2）进一步分析得出，接头在运行过程中，其力矩与角速度之间呈逆向相关关系。在明确力矩与角速度之间的关系后，利用上述选择的Forsentek-460型号力矩传感器测量仪对接头在不同旋转角度下的螺栓拧紧力矩进行测定。

2 试验结果分析与讨论

2.1 接头力矩传递分析

根据上述试验准备，结合得到的试验结果对接头力矩传递进行分析，在试验过程中设置了多种旋转角度条件，如图1 所示。

图1 接头旋转角度示意图

图1 中θ 为旋转角度，结合图1 所示的接头旋转条件，将试验过程中相关数据进行记录，方便对其进行分析。表2 为不同旋转角度条件下，通过计算和Forsentek-460 型号力矩传感器测量仪测量得到的力矩测量值结果记录。

表2 不同旋转角度接头力矩测量值结果记录

选择的WF46800 型号十字轴万向接头力矩为（30.00±2）N·m，而设定输入的力矩数值为30.00 N·m。表2 中5 组不同旋转角度下，通过测量得出接头力矩的理论值依次为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。从表2 中得到的试验数据结果可以看出，当接头旋转角度为20 ℃时，此时接头力矩测量平均值更接近输入的力矩数值，并且最小值也在理论范围内。其余几组旋转角度条件下，接头力矩的最小值均未达到理论数值的最低限值水平或处于理论数值偏低范围内。因此，通过上述得出的试验数据能够初步证明，当接头的旋转角度为20°时，此时十字轴万向接头能够达到最理想的力矩效果。

2.2 接头力矩传递对拧紧力矩的影响分析

通过上述得出的试验结果进一步分析其对拧紧力矩的影响。当十字轴万向接头在旋转过程中的角度在20°以下时，此时其力矩的平均值能够符合对螺栓拧紧的力矩要求，并且此时接头的力矩最小值也能够确保在理论力矩的合理范围内，力矩传递过程中也不会对拧紧力矩造成影响。当接头旋转角度超过20°，并达到25°时，此时螺栓结构上得到的力矩，能够达到拧紧力矩需求效果，但接头力矩的最小值处于理论范围偏低界限上，此时会出现力矩不合格情况，并影响到拧紧力矩，使得螺栓无法拧紧。当接头旋转角度达到30°时，此时螺栓的力矩最小值低于理论标准范围，在实际应用中会影响到螺栓拧紧力矩，造成无法达到螺栓拧紧效果的问题产生。通过上述试验综合得出，当接头力矩在理论标准范围以下时，存在接头连接位置上出现力矩不符合需求的问题，并且通过增加接头的方式不具备可行性，还会造成产品本身结构发生变化。因此应当在进行接头连接时将旋转角度控制在20°以内，以此确保其不会对拧紧力矩造成影响，确保产品整体质量。

3 结语

本文针对接头力矩传递过程中对拧紧力矩影响情况进行了深入探究，并通过试验的方式得出了具体的影响结论。但在研究过程中，针对接头力矩传递中力矩的测定并没有考虑到多个接头相互之间的摩擦力，因此在计算接头力矩时可能存在一定误差，使得最终试验得出的结果精度无法得到保障。因此，为了进一步提高试验数据精度，在后续的研究中针对这一方面问题还将进行更深入研究，从而使试验得出的结果更具利用价值。