林楠 張秀娟 王大萌

[摘?要]?在生活生產(chǎn)中常用的擰緊螺栓的工具中，高效的螺栓擰緊工具無(wú)法做到定力矩?cái)Q緊，而具有定力矩功能的螺栓擰緊工具價(jià)格昂貴且效率不高，需要設(shè)計(jì)一款高效可靠的定力矩套筒。首先，建立三維模型，對(duì)其工作原理進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，為后續(xù)的有限元分析提供參考;其次，利用ABAQUS進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析，檢查材料是否容易損壞;最后，經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，表明此定力矩套筒具有一定的定力矩?cái)Q緊功能，且成本低、操作簡(jiǎn)單，適合用于低速旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合中。

[關(guān)鍵詞]?定力矩;套筒;顯式動(dòng)力學(xué)

[中圖分類(lèi)號(hào)]?TH 135??[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]?A??[文章編號(hào)]?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(jiǎn)介]?林楠（1995—），男，遼寧大連人，大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論;張秀娟（1971—），女，遼寧大連人，大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論;王大萌（1993—），男，遼寧遼陽(yáng)人，大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。E-mail：1351828707@qq.com

0?引言

螺紋連接具有很廣泛的應(yīng)用，在對(duì)螺栓擰緊的過(guò)程中，保證上緊后的螺栓預(yù)緊力可控是確保螺紋連接可靠的關(guān)鍵，否則可能出現(xiàn)超擰或者欠擰的現(xiàn)象，超擰可能會(huì)使螺栓副發(fā)生斷裂或延遲斷裂等嚴(yán)重的問(wèn)題，而欠擰可能會(huì)造成螺栓副在長(zhǎng)時(shí)間受力后出現(xiàn)松動(dòng)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(jié)構(gòu)遮擋，普通力矩扳手沒(méi)有足夠的回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)空間，效率低;電動(dòng)定力矩扳手，價(jià)格約為3 000元以上，空載轉(zhuǎn)速為10～30 r/min，價(jià)格較高，效率較低。據(jù)了解，普通電動(dòng)扳手尺寸小，價(jià)格低，操作簡(jiǎn)單，但無(wú)法保證定力矩輸出。如果在普通電動(dòng)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(xiàn)狀

楊德勇設(shè)計(jì)了一款定力矩氣動(dòng)扳手，通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的片簧-轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定力矩，并使預(yù)置力矩可調(diào)[3]。歐陽(yáng)俊在研究大型數(shù)顯氣動(dòng)扭矩扳手中，通過(guò)行星輪系提高輸出扭矩，利用電磁傳感器對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行扭矩控制，通過(guò)報(bào)警裝置與顯示屏聯(lián)合反饋擰緊力矩的情況[4]。張勝生研發(fā)了一款低扭矩?cái)?shù)顯扳手，利用電阻應(yīng)變式扭矩傳感器檢測(cè)扭矩并顯示到屏幕上，用聲光報(bào)警的方式實(shí)現(xiàn)過(guò)力矩提示[5]。李晶設(shè)計(jì)了一款基于霍爾傳感器監(jiān)測(cè)控制扭矩的電動(dòng)扳手，處理后的扭矩信息通過(guò)數(shù)碼管進(jìn)行顯示，該扳手整體控制功能簡(jiǎn)單，控制精度稍低[6]。李金梁應(yīng)用LABVIEW作為上位機(jī)編程軟件，并且利用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)底層控制設(shè)備和上位機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能[7]。李葉青開(kāi)發(fā)了一款數(shù)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(zhuǎn)角輔助控制功能，研究出一種電動(dòng)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(méi)有得到廣泛應(yīng)用，電子式控制扳手雖然精確，但傳感器等元件不便于維護(hù)，轉(zhuǎn)角控制法雖然控制精準(zhǔn)但成本過(guò)高。本文擬在已有研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)械式套筒的設(shè)計(jì)研究，以實(shí)現(xiàn)更高的可靠性及耐用性，更適合在環(huán)境條件較差的場(chǎng)所使用，同時(shí)也便于降低成本，減小維護(hù)難度。

2?定力矩套筒的設(shè)計(jì)

2.1?三維模型的建立

用三維繪圖軟件SolidWorks對(duì)零件進(jìn)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(nèi)六角型凹槽嵌入待上緊螺栓頭，再使用扳手等上緊工具對(duì)上殼體施加扭矩，當(dāng)螺栓上緊到一定力矩值后，力矩套筒內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)打滑，停止對(duì)螺栓繼續(xù)施力。

3組彈簧將金屬球擠入中軸的凹槽中，當(dāng)力矩過(guò)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(huì)增大，彈簧被壓縮，金屬球脫離凹槽使連接螺栓的中軸相對(duì)于殼體滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定力矩。使用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)調(diào)整蝸輪圈，蝸輪圈內(nèi)側(cè)為凸輪，當(dāng)蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸輪擠壓外側(cè)金屬小球調(diào)整彈簧壓縮量，實(shí)現(xiàn)卸荷力矩可微調(diào)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，三維剖視圖如圖4所示。

3?定力矩機(jī)構(gòu)的有限元分析

3.1?ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)

ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)分析產(chǎn)生于實(shí)際工程需要，它是一種準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)求解方法。相對(duì)于隱式動(dòng)力學(xué)分析，顯式算法特別適合求解非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并且節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，能高效地解決復(fù)雜的問(wèn)題[10]，所以本文使用顯示動(dòng)力學(xué)算法分析和解決卸荷機(jī)構(gòu)的接觸碰撞問(wèn)題。

ABAQUS/Explicit中的顯式動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程基于顯式分析準(zhǔn)則與對(duì)角單元質(zhì)量矩陣共同實(shí)現(xiàn)。物體的運(yùn)動(dòng)方程式由式（1）和式（2）所示的顯式中心差分法的積分準(zhǔn)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(biāo)i表示增量編號(hào)，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(jì)算下一增量步的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，中心差分計(jì)算子在這個(gè)計(jì)算過(guò)程中是顯式的[11]。

3.2?工作狀態(tài)分析

對(duì)定力矩機(jī)構(gòu)分為兩個(gè)階段分析：第一階段，當(dāng)金屬球均處于凹槽內(nèi)，逐漸增大扭矩，直到金屬球脫離凹槽實(shí)現(xiàn)打滑，分析螺栓套筒將螺栓擰緊后打滑的過(guò)程;第二階段，中軸打滑后，分析金屬球繼續(xù)撞擊凹槽的過(guò)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(yīng)力，將上殼體和中軸簡(jiǎn)化，只留下有用的零件和特征，并對(duì)各零件劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類(lèi)型選用C3D8單元，劃分網(wǎng)格后的模型如圖5所示。

將所有零件的材料統(tǒng)一設(shè)置為45號(hào)鋼，其材料參數(shù)如表1所示。

首先，建立一個(gè)顯式動(dòng)力學(xué)分析步，分析時(shí)長(zhǎng)為0.01 s，場(chǎng)變量輸出50個(gè)畫(huà)面。

其次，創(chuàng)建通用接觸，將整個(gè)模型的表面都設(shè)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(wú)摩擦。對(duì)3個(gè)金屬球和上殼體添加剛體約束，再創(chuàng)建一個(gè)參考點(diǎn)與中軸下表面耦合。因?yàn)榻饘偾蚝蜕蠚んw為剛體，無(wú)法添加彈簧，因此在連接器中創(chuàng)建彈性軸代替彈簧，勁度系數(shù)為2 N/mm。

然后，施加載荷：給3個(gè)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(diǎn)施加扭矩，設(shè)置扭矩的振幅特性，從開(kāi)始的0時(shí)刻到0.01 s結(jié)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(guò)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(zhuǎn)的自由度和金屬球沿滑道方向水平移動(dòng)的自由度。

2） 結(jié)果分析

如圖6所示，根據(jù)消隱了金屬球后的Mises應(yīng)力云圖顯示，第一階段的最大應(yīng)力發(fā)生在0.008 2 s時(shí)刻，位于凹槽側(cè)棱上與金屬球接觸點(diǎn)處，最大應(yīng)力值為581.0 MPa。

圖7所示為中軸的最大主應(yīng)變?cè)茍D，第一階段的最大應(yīng)變發(fā)生的時(shí)間和位置與最大應(yīng)力相同，最大值為1.76×10-3 mm。

通過(guò)圖8最大應(yīng)力值隨時(shí)間變化的圖像可以看出，從0時(shí)刻到0.008 s，隨著力矩不斷增大，最大應(yīng)力也不斷增大;在0.008 2 s時(shí)，力矩增大到特定值，金屬球被擠開(kāi)，導(dǎo)致凹槽側(cè)棱與金屬球形成點(diǎn)接觸，接觸面積變小，最大應(yīng)力陡增，出現(xiàn)波峰值;而后，金屬球被彈開(kāi)，應(yīng)力又逐漸減小。

選取中軸外側(cè)圓柱面一點(diǎn)，繪制移動(dòng)距離隨時(shí)間變化的圖像如圖9所示，其意義在于通過(guò)點(diǎn)的移動(dòng)距離可反映出中軸的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過(guò)分析圖像可知，中軸在0.007～0.008 s之間開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速逐漸增大。

選取一個(gè)金屬球的球心點(diǎn)，繪制移動(dòng)距離隨時(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)分析圖像可知，中軸在0.007～0.008 s之間開(kāi)始彈出，其轉(zhuǎn)速逐漸增大，彈出過(guò)程用時(shí)0.003 s。

3.2.2?第二階段

1） 前處理

將初始位置設(shè)定為金屬球即將落入凹槽前的瞬間，劃分網(wǎng)格如圖11所示。

建立一個(gè)顯式動(dòng)力學(xué)分析步，分析時(shí)長(zhǎng)為0.002 s，場(chǎng)變量輸出60個(gè)畫(huà)面。

施加載荷的步驟為：由于3個(gè)彈簧與第一階段相比被進(jìn)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(gè)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(diǎn)施加1 N·m的扭矩。其余設(shè)置與第一階段一致。

2） 結(jié)果分析

如圖12所示，根據(jù)Mises應(yīng)力云圖顯示，第二階段的最大應(yīng)力發(fā)生在0.008 3 s時(shí)刻，同樣位于凹槽側(cè)棱上與金屬球接觸點(diǎn)處，最大應(yīng)力值為8 492 MPa。

最大主應(yīng)變?cè)茍D如圖13所示，第二階段的最大應(yīng)變發(fā)生的時(shí)間和位置與最大應(yīng)力相同，大小為0.022 mm。

選取中軸外側(cè)圓柱面一點(diǎn)，繪制移動(dòng)距離隨時(shí)間變化的圖像如圖14所示。通過(guò)分析圖像可知，中軸在0時(shí)刻加速轉(zhuǎn)動(dòng)，在8×10-4 s時(shí)金屬球與中軸凹槽側(cè)棱發(fā)生碰撞，撞擊力對(duì)中軸產(chǎn)生了反向力矩使其反向轉(zhuǎn)動(dòng)，并于1.4×10-3 s時(shí)刻停止轉(zhuǎn)動(dòng)后恢復(fù)正向加速旋轉(zhuǎn)。

4?實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

為驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的可靠性，需要制作模型加以實(shí)驗(yàn)，非標(biāo)準(zhǔn)件采用3D打印制造，標(biāo)準(zhǔn)件從市場(chǎng)采購(gòu)并組裝得到。

實(shí)驗(yàn)過(guò)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(gè)螺母，并將其固定在臺(tái)面上，用定力矩套筒扣在螺栓頭部，使用扳手對(duì)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(gè)螺母將第二個(gè)螺母鎖緊，表示擰緊完成。零部件組裝與實(shí)驗(yàn)圖如圖15所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(kāi)始空轉(zhuǎn)打滑，這意味著此機(jī)構(gòu)具有定力矩效果，但卸荷力矩過(guò)小，難以滿足要求。另一方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)零件進(jìn)行拆分檢查，發(fā)現(xiàn)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(cè)棱的接觸應(yīng)力較大導(dǎo)致。由于塑料材質(zhì)較軟，變形處更為明顯，發(fā)生變形的區(qū)域與有限元分析的結(jié)果一致，證明了有限元仿真的正確性。

利用ABAQUS軟件的顯式動(dòng)力學(xué)分析，本文設(shè)計(jì)的定力矩套筒能夠起到有效的定力矩作用，但卸荷力矩過(guò)小，僅3 N·m。根據(jù)仿真得出的應(yīng)力數(shù)據(jù)，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(cè)棱應(yīng)力均較大，會(huì)導(dǎo)致材料變形及損壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析，表明此定力矩套筒能夠在小力矩、低轉(zhuǎn)速的條件下實(shí)現(xiàn)定力矩卸荷功能，且成本低、操作簡(jiǎn)單，無(wú)需調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)，安全可靠，能夠滿足日常螺栓擰緊的需求。

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（責(zé)任編輯?白麗媛）