扭矩扳手原理

可读式扭矩扳手的原理设计

1可读式扭矩扳手的原理设计

扭矩扳手亦称力矩扳手、测力扳手、公斤扳手⋯⋯是一种可以接工艺要求预设限定或指示、测量拧紧螺纹联接组件扭矩值的手动扳手，也是一种扭矩计量工具。扭矩扳手可分为三大类：定值式扭矩扳手、指示表式扭矩扳手和电子数显扭矩扳手。定值式扭矩扳手又分为预置式和可调式扭矩扳手，此类扭矩扳手的功能简单，精度较低，精度一般为±4％，但价格较便宜。这类扭矩扳手是装配作业中较早使用的产品，因为生产技术容易掌握，制造生产的厂商也很多。指示表式扭矩扳手精度一般在±3％，它主要解决了定值式扭矩扳手没有的扭矩测量功能，并提高了测量精度。

电子数显扭矩扳手国际上出现于20世纪90年代初，它很好地解决了以上两类扭矩扳手功能简单、使用精度低的明显不足。由于电子数显扭矩扳手的高精度、多功能和具有与计算机传输数据的功能，使得电子数显扭矩扳手充分满足了现代工业发展的需求，很好地解决了机械式扭矩扳手在紧固件拧紧控制中不能解决的问题。现在的国内外厂商是采用应变测量原理生产的电子数显扭矩扳手都存在耗电量大和力臂长度改变严重影响测量精度的两大问题，这样就给使用中带来了很多的不便。国内曾经研制的数字式扭矩扳手，其结构是在扳手头部安装扭矩传感器，优点是扭矩测量精度不受力臂长度变化的影响，缺点是扳手头部较为笨重，很难安装棘轮装置，不能变换头部结构。

电容式电子数显扭矩扳手具有高精度的扭矩测量、最大扭矩保持、定值限力报警和数据输出等多功能特点，为产品装配作业中紧固件装配质量的过程控制提供了更好的工具。

指针式扭矩扳手除内装扭矩产生及控制机构外，还装有一只外露扭矩表，能随时指示出施加的扭矩值。它也可作扭矩值的校准工具，通过扭矩表直接指示并读出所施加的扭矩值。这种扭矩扳手结构较复杂，价格相对较高。还有一种精度较低的简易型指示式扭矩扳手，与一般死扳手外形接近，装有一块外露的圆弧形刻度盘及一个指针，可以指示出扳手拧紧螺纹时在一定范围内的扭矩值，多用于汽车修理行业，但不推荐在模具行业使用。

测扭矩扳手原理是作用在手柄上的力通过应力环传到扳轴，应力环在径向压力的作用下发生弹性变形，用百分表测出其变形量。在百分表的尾柄上套有塑料管。在扳手外壳上装有阻尼套，阻尼块在弹簧力作用下压紧在尾柄上，对百分表造成阻尼，即当外力消失后，应力环恢复原形，但表针却由于阻尼而停止不动，可供观察记录。当提起把手时，百分表尾柄上的阻尼力消失，表针回到原位，便可再次进行测量和记录。该扳手测量精度高，但结构较复杂。

综合以上因素，本文选定用指针式扭矩扳手设计，主要利用了扭力轴和杠杆、齿轮副放大的原理，即扭力轴受力时发生弹性形变，且变形量与扭矩成正比，则放大元件将变形量放大并传递给显示件，指针表盘可以随时显示扭矩的大小，以便操作人员有目的控制预紧力的大小。

2可读式扭矩扳手的系统组成及工作原理

1—扭力轴 2—放大杠杆 3—扇形齿轮轴 4—扇形齿轮 5—小齿轮

6—底板 7---表盘 8—手柄

该扭矩扳手的系统可分为扭矩传感器、放大元件、显示器件等几部分，如图1所示，扭矩传感器即是扭力轴，受力时发生弹性形变，变形量与扭矩成正比；放大元件由放大杠杆、扇形齿轮、小齿轮等组成，将变形量放大并传递给显示器件；显示器件主要是指针表盘，可显示扭矩值的大小。

当在手柄上施加一个载荷时，由于扭力轴固定在被测工件上，所以扭力轴产生一个 角扭转变形，从而带动放大杠杆上的拨动销拨动滑槽，带动扇形齿轮沿轴心转动，扇形齿轮带动小齿轮转动，则小齿轮轴上的指针也随之转动，这样便可以在面板上读出扭矩值。如果要进行第二次测量，测量前首先调整外壳，带动读数面板，指针对准读数面板上的零位。

1手柄杆长度l的确定

由题目要求得要测得的最大扭矩为100 m N .，由式得

Fl=100 m N .

F 为人手臂的拉力，由【机械手册】可得成年男子最大手臂拉力为703N ，成年女子

最大手臂拉力为386N ，长时间用最大拉力手臂会发酸，综合各种因素，应取最大拉

力一半为宜，193N 。

要设计的扳手量程为100 m N .，则手柄杆有效长度为506mm,而手柄杆的实际长度再

加上手掌握时手掌宽的一半约为550mm 。

可读式扭矩扳手的扭力轴设计

扭力轴是扭矩扳手的关键元件，对扭矩扳手的精度，线性有较大影响，因此要求

扭力轴有较高的强度、弹性、屈服点及疲劳极限。

1 扭力轴设计原理

为了保证扳手工作可靠，需要扭力轴具有适合的强度和刚度，根据材料力学理

论，实心扭力轴可按下式计算：

[]φ≤π=φ432Gd

ML （式1）

316d M π=

τ≤[]τ （式2）

式中 φ-----扭力轴L 长转角，弧度

M-----扭矩，N.mm

L------扭力轴工作长度，mm

d-------扭力轴外径，mm

τ------扭力轴剪切应力，a MP /2mm

G-------扭力轴材料切变弹性模量，a MP /2mm

2扭力轴直径d 的计算

首先根据【机械手册】选择扭力轴材料为SiMnA 60，取参数为b σ=1568 M a P ，

G=83.4G a P ,E=2510⨯ M a P ,25.0=μ，a=0.028

根据公式316d M

π=τ≤[]τ可求出扭力轴直径d,式中，[τ]扭力轴材料的许用应力一般

取b σ/5=313.6 M a P

则 : 36310

6.31314.310016][16⨯⨯⨯≈τπ≥M d m=0.011751m ≈11.75mm 取整数 d=12mm

3 计算扭力轴工作长度

首先确定扭力轴转角θ为0.03度，由公式 []φ≤π=φ432Gd

ML 得扭力轴工作长度为mm m m M Gd L 8.4604682.0100

3203.0)1075.11(14.31034.83243104==⨯⨯⨯⨯⨯⨯=φπ≤- 取整数 L=45mm

4 空心扭力轴计算

若扭力轴为圆管状，即截面形状为圆环，设内径与外径之比为0.2，即2.0=α

计算外径