金屬材料過盈配合抗扭性能測試與評定*

徐 欣

（浙江省臺州市計(jì)量技術(shù)研究院，臺州318000）

金屬材料過盈配合抗扭性能測試與評定*

徐 欣

（浙江省臺州市計(jì)量技術(shù)研究院，臺州318000）

精密扭矩測試儀有效解決了金屬材料通過過盈配合連接后其承載轉(zhuǎn)矩載荷性能的測試與評定問題。利用金屬材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法測試過盈配合連接金屬材料扭轉(zhuǎn)性能。在兩個過盈連接件上分別安裝位移傳感器和位移傳感器限位裝置，用以測試當(dāng)試樣受外力作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)角；同時將測力傳感器經(jīng)固定力臂和其中一過盈連接件相接觸，另一過盈連接件與活動扭轉(zhuǎn)頭相連。當(dāng)活動扭轉(zhuǎn)頭通過測試件帶動固定扭轉(zhuǎn)頭扭轉(zhuǎn)，固定扭轉(zhuǎn)頭將測試力作用于測力傳感器，此時將位移傳感器和測力傳感器采集的信號經(jīng)同步器輸入計(jì)算機(jī)，并經(jīng)專用軟件計(jì)算得到對應(yīng)不同轉(zhuǎn)角狀態(tài)下的扭矩，即扭矩－轉(zhuǎn)角曲線圖，以此得到最大扭矩Tm及相應(yīng)有效轉(zhuǎn)角下的有效扭矩Te。

過盈配合；有效扭矩；力臂；測力傳感器；位移傳感器

10.3969 ／j.issn.1000－0771.2013.4.04

0 引言

過盈配合這種連接方法，結(jié)構(gòu)簡單，定心精度高，可承受轉(zhuǎn)矩、軸向力或兩者復(fù)合的載荷，而且承載能力高，在沖擊、振動載荷下也能較可靠地工作［1］，所以在機(jī)械工程中采用過盈配合的機(jī)構(gòu)或零部件來傳遞扭矩十分普遍。如小型汽油發(fā)動機(jī)曲軸采用組合曲軸，即由曲柄和曲柄銷通過過盈壓配組裝而成，當(dāng)產(chǎn)品在使用過程中，發(fā)動機(jī)動力通過曲軸輸出時受外部阻力作用存在扭曲現(xiàn)象，但是曲軸總成無論發(fā)動機(jī)處于何種工作狀態(tài)，曲柄與曲柄銷之間都不可發(fā)生任何松動或相對滑動位移，否則發(fā)動機(jī)將無法輸出動力，所以在設(shè)計(jì)和制造曲軸時必須考慮這一關(guān)鍵功能性特性。

由此可見，測試與評定采用過盈配合連接的機(jī)構(gòu)或零部件承受剪切扭轉(zhuǎn)載荷性能十分重要。

1 測量裝置

1.1 測量原理

1.1.1 金屬材料的扭轉(zhuǎn)性能分析

如圖1（a）為金屬材料扭轉(zhuǎn)試樣受力分析，試樣兩端受到兩個垂直于軸線平面內(nèi)的力偶M作用，兩個力偶大小相等，方向相反。受此兩個力偶作用，試樣各橫截面繞軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，如圖中所示ΦA(chǔ)B就是截面B相對于截面A的轉(zhuǎn)角［2］。如圖1（b）為金屬材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果：扭矩－轉(zhuǎn)角曲線圖。其中：Tm為最大扭矩：試樣在屈服階段后所能抵抗的最大扭矩［2］。

圖1

剪切胡克定律：當(dāng)切應(yīng)力不超過材料的剪切比例極限（TP）時，切應(yīng)力與切應(yīng)變之間成正比關(guān)系，如圖2所示的直線部分。T＝Gy（G為材料的剪切彈性模量，單位與彈性模量相同，數(shù)值可通過試驗(yàn)確定）。

圖2 切應(yīng)力與切應(yīng)變關(guān)系圖

1.1.2 過盈配合連接金屬材料的扭轉(zhuǎn)性能分析

1）分析模型及條件

以兩個簡單厚壁圓桶在彈性范圍內(nèi)的連接為分析基礎(chǔ)。彈性范圍系指包容件和被包容件由于結(jié)合壓力而產(chǎn)生的變形與應(yīng)力成線性關(guān)系，亦即連接件的應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度［2］。

同時包容件與被包容件處于平面應(yīng)力狀態(tài)，即軸向應(yīng)力σZ＝0；包容件與被包容件在結(jié)合長度上結(jié)合壓力為常數(shù)；材料彈性模量為常數(shù)［2］。

2）研究兩種狀態(tài)，一種是當(dāng)材料屈服強(qiáng)度大于過盈配合接合強(qiáng)度時，如圖3（a）所示；另一種當(dāng)過盈配合接合強(qiáng)度大于材料屈服強(qiáng)度時，如圖4（a）所示。

圖3

圖4

當(dāng)材料屈服強(qiáng)度大于過盈配合接合強(qiáng)度時，當(dāng)試樣扭轉(zhuǎn)時，過盈配合連接處相對移動發(fā)生早于材料到達(dá)屈服點(diǎn)，所以試樣扭轉(zhuǎn)時試樣受力分析位置在于過盈配合區(qū)間，試樣兩端受到兩個垂直于軸線平面內(nèi)的力偶M作用，兩個力偶大小相等，方向相反。受此兩個力偶作用，試樣各橫截面繞軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，如圖中所示ΦA(chǔ)B就是截面B相對于截面A的轉(zhuǎn)角，最大扭矩就是試樣過盈配合部分在發(fā)生相對位移后所能抵抗的最大扭矩。

當(dāng)過盈配合接合強(qiáng)度大于材料屈服強(qiáng)度時，當(dāng)試樣扭轉(zhuǎn)時，材料到達(dá)屈服點(diǎn)早于過盈配合連接部分相對移動發(fā)生，所以試樣扭轉(zhuǎn)時試樣受力分析同等整體材料試樣受力分析，試樣兩端受到兩個垂直于軸線平面內(nèi)的力偶M作用，兩個力偶大小相等，方向相反。受此兩個力偶作用，試樣各橫截面繞軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，如圖中所示ΦA(chǔ)B就是截面B相對于截面A的轉(zhuǎn)角，最大扭矩就是試樣在屈服階段后所能抵抗的最大扭矩。

有效扭矩就是過盈配合兩個連接件發(fā)生特定轉(zhuǎn)角Φe下對應(yīng)的扭矩。如圖3（a）連接件1和2在扭轉(zhuǎn)過程中發(fā)生特定轉(zhuǎn)角Φe，對應(yīng)扭矩Te，如圖3（b）所示。

根據(jù)以上受力分析，過盈配合連接金屬材料，無論是材料屈服強(qiáng)度大于過盈配合接合強(qiáng)度，還是過盈配合接合強(qiáng)度大于材料屈服強(qiáng)度時，都符合剪切胡克定律，所以過盈配合連接金屬材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以用金屬材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法試驗(yàn)及評定。如圖3、4中（b）所示，連接件1與連接件2通過過盈配合連接及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果：扭矩－轉(zhuǎn)角曲線圖。其中：最大扭矩（Tm）：采用過盈配合連接的金屬材料試樣在發(fā)生相對位移或到達(dá)材料屈服點(diǎn)后所能抵抗的最大扭矩。有效扭矩（Te）：過盈配合兩個連接件發(fā)生特定轉(zhuǎn)角Φe下對應(yīng)的扭矩。扭矩－扭角（TΦ）曲線：試樣扭轉(zhuǎn)時測得的轉(zhuǎn)角和相應(yīng)的扭矩繪制的曲線。

1.2 測試儀器設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

測試儀器的設(shè)計(jì)如圖5所示，產(chǎn)品安裝在活動扭轉(zhuǎn)頭1與固定扭轉(zhuǎn)頭2之間，測力傳感器安裝在3處，測力傳感器經(jīng)過固定力臂與固定扭轉(zhuǎn)頭2連接，旋轉(zhuǎn)傳動手輪4帶動連接件1（如圖3（a）中所示）旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)所用力通過連接件2經(jīng)固定力臂最終作用于測力傳感器3，得到扭矩值：T＝F×L（式中：L為固定力臂長度；F為測力傳感器測得的力）。

圖5 測試儀器設(shè)計(jì)圖

同時在連接件1與連接件2之間安裝一個位移傳感器，位移傳感器固定于連接件1，連接件2安裝一個限位塊，當(dāng)產(chǎn)品1旋轉(zhuǎn)時，限位塊作用于位移傳感器，通過計(jì)算得到連接件1相對于連接件2旋轉(zhuǎn)的角度：

圖6 軟件開發(fā)流程

式中：S為連接件1相對連接2的位移值；R為連接件1的扭轉(zhuǎn)半徑。

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)流程如圖6所示。設(shè)計(jì)重點(diǎn)為位移傳感器、測力傳感器預(yù)載初始化調(diào)整，同時利用同步器建立扭矩－轉(zhuǎn)角曲線圖，最后能根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)判定最大扭矩與有效扭矩值。其中當(dāng)確定特定轉(zhuǎn)角Φe，則相應(yīng)的特定位移為：

根據(jù)特定位移及扭矩－轉(zhuǎn)角曲線，得到有效扭矩Te。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過同步器輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)專用軟件計(jì)算并生成扭矩－轉(zhuǎn)角曲線圖，得到最大扭矩Tm和有效扭矩Te，如圖7所示。

圖7 扭矩－轉(zhuǎn)角曲線圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 測試速度控制

旋轉(zhuǎn)首輪4并通過絲杠帶動活動扭轉(zhuǎn)頭，同時根據(jù)測力傳感器、位移傳感器采集數(shù)據(jù)，在軟件設(shè)置測試速度控制區(qū)域，增加傳動與測試平穩(wěn)度。

2.2 有效力臂固定

力臂與固定扭轉(zhuǎn)頭固定聯(lián)接，當(dāng)活動扭轉(zhuǎn)頭通過測試件帶動固定扭轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動時，為避免力臂與測力傳感器接觸位置發(fā)生變化，同時也為避免測力傳感器受力方向改變，力臂與測力傳感器采用點(diǎn)接觸。如圖8所示，在力臂上安裝鋼球，鋼球和測力傳感器采用點(diǎn)接觸，保證力臂L及測力傳感器受力方向的穩(wěn)定，減少測量誤差。

圖8 力臂圖

2.3 初始化設(shè)置

為避免測試時傳動裝置出現(xiàn)空程間隙，并根據(jù)測力傳感器分辨率，設(shè)定初始化條件，在安裝好測試件并在正式測試前將測力傳感器和位移傳感器進(jìn)行初始化設(shè)置，避免測試誤差。

2.4 有效扭矩的測定

根據(jù)初始化設(shè)置，位移傳感器和測力傳感器同步工作，根據(jù)有效扭矩要求設(shè)置有效位移。當(dāng)位移傳感器工作至有效位移Le時，測力傳感器測得力Fe，這時有效扭矩為：Te＝Fe×Le。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 標(biāo)準(zhǔn)試樣件測試

絕大多數(shù)小型汽油發(fā)動機(jī)曲軸由曲柄和曲柄銷通過過盈壓配組裝而成，因此選用30件由同質(zhì)材料加工的曲軸作為測試試樣，條件為：曲柄（包容件）與曲柄銷（被包容件）過盈量為0.051～0.075mm、結(jié)合長度7～7.05mm，有效扭矩曲柄同心度0.08mm、扭矩＞60N·m，曲柄孔圓度滿足＜0.003mm、圓柱度滿足＜0.003mm，曲柄銷圓度滿足＜0.001mm、圓柱度滿足＜0.0015mm，孔與銷表面粗糙度滿足Rz1.0、結(jié)合面包容與被包容件表面硬度63HRC、硬化層深度0.67mm。其中，序號01～10由扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)測試最大扭矩；序號11～20由1m力臂＋砝碼＋千分表即砝碼測試法測試有效扭矩，測試方法如圖9所示；序號21～30由本儀器測試，同時測得最大扭矩和有效扭矩。測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)表

續(xù)表

圖9 扭力扳手測試圖

3.2 數(shù)據(jù)處理

1）方法比對驗(yàn)證數(shù)據(jù)

序號01～10測試件用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)測得最大扭矩平均值為Tmax1＝87.80（N·m），評定測量不確定度為：U1＝0.50N·m，k＝2；

序號021～30測試件用本儀器測得最大扭矩平均值為Tmax2＝87.61（N·m），評定測量不確定度為：U2＝0.31N·m，k＝2；

同理，序號11～20測試件用經(jīng)典砝碼法測得有效扭矩平均值為Te1＝71.02N·m，評定測量不確定度為：U1＝0.50N·m，k＝2；

序號021～30測試件用本儀器測得有效扭矩平均值為Te2＝71.29N·m，評定測量不確定度為：U2＝0.31N·m，k＝2；

2）本儀器測試法測量重復(fù)性考核

對序號30測試件用本儀器重復(fù)測量10次相同轉(zhuǎn)角的最大扭矩，得下列數(shù)據(jù)：87.62，87.57，87.65，87.59，87.61，87.62，87.63，87.59，87.61，87.59 N·m。

4 結(jié)論

通過理論分析與實(shí)驗(yàn)測試，證實(shí)了本測試儀器及測試方法準(zhǔn)確方便，測試數(shù)據(jù)可靠，且有效解決了金屬材料通過過盈配合連接后其承載轉(zhuǎn)矩載荷性能的測試與評定問題。

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國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2009QK171）