iFAST 转载 作者：Ralph S. Shoberg

9. 松动角分析

    对紧固件的完整分析涉及到在紧固和松动扭矩角曲线上的观察，因为紧固件首先被安装，然后被松开。这些曲线最初在紧固件尚未超过屈服点的弹性紧固区域内进行研究，例如图12所示的组装扭矩-角度特征。当紧固件被松开时，可以记录下松动扭矩-角度特征，如图13所示。释放特征显示了紧固件伸长的松动以及夹紧部件中的压缩的松动。对这一特征的分析提供了验证预紧力或紧固程度的直接方法。首先，将曲线中弹性释放部分的切线投影到零扭矩，以定位弹性起点。从松动开始的点到投影的弹性起点的释放角度是对螺栓连接中释放的张力的直接测量。

    切线必须绘制在曲线的直线部分，即在由于静摩擦或螺纹锁固胶被释放后的初始峰值松动扭矩之后。起始点是初始松动运动开始的角度。总松动角是从初始松动点到投影的弹性起点的角度测量。请注意，如果在松开紧固件后存在重要的预扭矩，弹性起点必须定位在预扭矩水平上，而不是零扭矩水平上。

    图14所示的扭矩-角度特征已绘制成了M-Alpha图，切线位于最大扭矩的50%处，用于定位弹性起点，以确保弹性紧固斜率位于螺母镶嵌开始之前。螺栓是一根M30 x 3.5，属于11.9级强度。相应的夹紧力特征，以F-Alpha（张力-角度）图绘制，证实夹紧力随从投影的弹性起点的角度而线性增加。在图15所示的示例中，弹性紧固角度约为125度。

    松动扭矩-角度特征（参考图13）也有一个约为125度的投影松动角。F-Alpha图（参考图15）确认了即使在发生镶嵌后，夹紧力与从弹性起点旋转的角度成正比增加的事实。与在螺栓屈服后增加的张力分析类似，用于镶嵌或螺纹剥离后的曲线的扩展切线的反向投影用于定位有效的紧固角度。通过对应变片螺栓或力传感垫片的实验，在紧固过程中测量夹紧力、扭矩和角度，可以验证对于给定的紧固件，这一理论是正确的。

    图16展示了对汽车车轮螺母进行的松动角度研究。使用连接到瞬态记录仪的扭矩和角度传感器的工具来松开螺母，记录扭矩和角度值，并绘制数据。所得到的打印曲线显示了极高的松动扭矩。初始高的松动扭矩峰值区域被忽略，因为这只是启动松动运动所需的静态扭矩的指示。释放扭矩的高值从这样的角度来看是显著的，因为它说明了由于车轮螺母上的螺距失真所产生的高螺纹摩擦力，这是有助于防止典型车轮螺母出现振动松动的因素。

    图16所示的车轮螺母的弹性松动角约为40度。该螺母的峰值扭矩为206 Nm（152磅·英尺），比车辆制造商的规格要求高出75 Nm（52磅·英尺）。车轮螺母最初被扭紧到160 Nm（118磅·英尺），这似乎没有超过紧固对准区，正如图17中所示的特征所示。在这个示例中，较高的螺母底面摩擦力限制了螺栓的拉伸力，对于正常摩擦条件，这可能会导致螺栓屈服或由于过度拉伸而断裂。

    随后进行了手动扭矩断开审核，其中螺母朝着紧固方向前进了约78度，如图18所示。审核的M-Alpha图显示最终扭矩约为206 Nm（152磅·英尺），并且投影的弹性紧固角度为40度。

    应用松动角方法，将一条线投影到曲线的弹性释放部分的切线上，直到零扭矩为止。从松动扭矩点到切线穿越零扭矩或预扭矩水平的点的释放角度，与释放的张力或夹紧力成正比。将图18与图16进行比较，可以看到通过松动紧固件确定的释放角度与应用于扭矩-角度特征的M-Alpha图之间存在显著的相关性，用于断开审核的情况。图16中的松动特征是在图18中绘制的审核之后记录的。

10. M-Alpha张力审核

    扭矩-角度特征分析在研究所有关键紧固件组装中特别有用，特别是在涉及安全性或可靠性方面，确保初始预紧力的获得并在组装的整个使用寿命内保持非常重要。除了分析紧固件问题，如松动和镶嵌，扭矩-角度特征分析还可以用于评估紧固工具在紧固件上施加所需夹紧力的性能。这种技术特别适用于评估使用脉冲工具和冲击工具的工艺。

    主要基于人体工程学考虑，脉冲工具最近在高产组装操作中得到广泛的应用。然而，与它们的能量传递特性有关的限制通常不太被理解。脉冲和冲击工具特别敏感于连接速度和摩擦变化。由于摩擦系数是速度和表面压力的函数，因此必须仔细评估使用脉冲和高转速工具进行的紧固以确保适当的紧固工艺能力。

    例如，脉冲和冲击工具以高速移动紧固件，具有大量的粘滑、抖动以及与稳定连续紧固过程不同的摩擦特性。这些因素可能会导致表面上扭矩读数看起来很高，但实际上产生的夹紧力很小。通过使用可以将旋转角度和夹紧力相关联的审核方法来检查组装的连接，用户可以确保连接已经得到安全紧固。

    以下一系列的紧固、松动扭矩审核和松动特征展示了使用扭矩-角度特征进行扭矩和张力审核的基本概念。通过使用弹性起点的概念以及将M-Alpha和F-Alpha图应用于审核过程，可以极大增强对螺纹紧固件工程力学的理解。

10.1 紧固曲线分析

    在图19所示的示例中，一个M12 x 1.75的紧固件被扭紧到80 Nm（60磅·英尺）。使用了一个27 Nm（20磅·英尺）的记录阈值来记录这个特征。绘图显示了扭矩和张力与旋转角度之间的关系，零角度位于阈值处。

    在这个分析中使用的特征分析软件可以自动通过将从扭矩-角度曲线的最终点投影到零扭矩水平上的切线，来定位M-Alpha图上的弹性起点。图20所示的安装紧固特征的M-Alpha图说明了扭矩导致了一个约为85度的投影弹性紧固角度。图21中显示的相应的F-Alpha曲线通过弹性起点的概念，确认了扭矩和角度之间的关系。请注意，螺栓的85度弹性紧固角度导致夹紧力约为33,360 N（7,500磅）。

10.2 松动分析 

    下一个特征是断开扭矩审核，如图22所示，是在为图43至45所示的示例中紧固的螺栓连接上进行的。断开手动扭矩审核经常用于试图将动态安装扭矩与测得的断开点相关联。在这个示例中，紧固件被扭向紧固方向，直到额外的旋转角度约为1213度。请注意，螺栓的头部在约74.5 Nm（55磅·英尺）时开始移动。实际的断开点和继续紧固的过程发生在施加扭矩约为88 Nm（65磅·英尺）时。这些观察结果确认了通常用于断开扭矩审核的81 Nm（60磅·英尺）的安装扭矩。

    图23中展示的特征分析图是过去10年中开发的最重要的分析工具之一。该图展示了如何同时审核安装扭矩，并将审核曲线的特征直接与紧固件张力相关联。将定位弹性起点的扭矩-角度特征曲线的切线投影是显著改进手动扭矩审核过程的关键。这次审核特征的M-Alpha图清楚地显示了与安装扭矩相关的扭矩断开点，还显示了85度的初始紧固角度，与33,360 N（7,500磅）的预紧力夹紧力相关。请注意，断开审核将紧固角度从弹性起点投影增加到约95-100度，预计预紧力将成比例增加。

10.3 松动角度审核 

    如果在松开紧固件时记录扭矩-角度特征，如图24所示，所得到的松动角度图可以用于确定弹性紧固角度，从而直接估计被释放的近似紧固件张力，前提是已经建立了连接的F-Alpha斜率。

    M-Alpha图和松动角度图可用于直接估计螺栓张力或预紧力，这是紧固件紧固过程的最终目标。图24所示的示例中，约为95度的松动角度确认了手动扭矩审核的M-Alpha图上测量的紧固角度。显然，松动角度审核方法提供了一个直接衡量给定工具在紧固件上发展张力能力的手段。

10.4 摩擦分析审核

    为了提供一个示例，说明审核技术如何在摩擦特性差异方面发挥作用，之前示例中使用的紧固件类型（图17至22）被剥离了所有螺纹和底座润滑剂，以在螺纹和底座区域创建更高的摩擦系数。图25所示的紧固到81 Nm（60磅·英尺）的M-Alpha图表明从弹性起点投影出的紧固角度仅为25度。与润滑的紧固件相比，其中紧固角度为85度，预测的预紧力为9786 N（2,200磅），并通过夹紧力测量得到了确认。图26所示的对于干燥紧固的螺栓的松动扭矩审核确认了安装扭矩约为81 Nm（60磅·英尺），并揭示了预期的从弹性起点的非常低的旋转角度。

11. 总结

    应用于紧固和松动曲线的扭矩-角度特征分析方法简单明了，直接了当。它是一种基本的工程分析技术，利用基本的应力、挠度和材料强度特性来对螺栓连接的紧固过程进行建模和测量。扭矩-角度特征可以通过分析来确定安装扭矩、螺纹剥离、底座镶嵌、螺栓屈服，以及最重要的是紧固件张力。尽管有许多因素可以改变给定螺栓连接的紧固程度，但扭矩-角度特征分析方法提供了一种实用的方法，用于直接验证夹紧力以确保优质的紧固件组装。这种技术可应用于各种尺寸和各种夹持长度的紧固件。

    与安装扭矩-角度相比，释放角度特征可用于评估动态测试后保留的夹紧力。通过使用释放角度分析方法，可以轻松地分析和定量评估导致预紧力损失的材料蠕变和镶嵌现象。释放角度审核的结果与实现的张力直接相关，相比于从断开扭矩审核中获得的扭矩大小，其意义显著更大。改进的断开扭矩审核版本可以使用审核的扭矩-角度特征，直接估计紧固件张力。这种分析过程与释放角度特征方法精确相关。唯一的限制是断开审核必须在螺栓连接的弹性紧固区域进行，而螺栓屈服或螺纹剥离不在其中。