浅析扭矩扳手准确度的因素与误差分析

赵晓君 吴俊 徐飞 贾志文 戴建新

摘要：经典力学中，力矩一直是一个非常重要的物理量，它描述了一个物体的运动状态。运动状态又分为平动和转动，而力矩就是为了更好的描述一个物体的转动效应而引入的物理量。根据实际使用经验，从施力方向，读数误差和螺栓摩擦三个方面探讨和分析了影响扭矩扳手准确度的因素与误差来源，提出了再操作扭矩扳手时应注意的事项。

关键词：力矩;误差;注意事项

随着测量技术的不断进步，扭矩扳手越来越广泛的应用于工业生产流水线上，特别是在装配过程中，通常用扭矩扳手来对螺栓施加预紧力，以保证产品质量。但由于扭矩扳手使用频率较高，容易造成外部零件的磨损，以及内部元件疲劳老化，从而产生误差，本文对扭矩扳手准确度的影响因素和误差的产生原因进行了分析，对于在实际工作中正确应用扭矩扳手具有重要意义。

1扭矩扳手的工作原理及分类

在物理学中，力矩是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，物体在力的作用下发生转动的中心为矩心，矩心到力的作用线的距离为力臂。则扭矩T等于作用力F与力臂L的乘积，扭矩扳手就是依据这一原理设计制造的计量器具，扭矩扳手主要用于紧固螺栓，螺母或螺钉，并能够测量（或控制）扭矩值，以保证产品的装配质量。 扭矩扳手按照动力源一般分为：手动，电动，气动，液压四大类，按结构一般分为示值式和预置式两种形式，示值是式又可分为指针式和数字式，预置式又可分为带刻度可调式和定植式。示值式以指针刻度或数字的显示方式输出扭矩，预置式是可预先设置输出扭矩值，并以视觉，声音等感知信号显示输出预设扭矩。

2扭矩扳手准确度的影响因素及误差分析

影响扭矩扳手准确度的因素有很多，本文根据实际情况和经验，主要从施力方向，读数误差，螺栓摩擦3大方面进行分析说明。

2.1施力方向的影响 在使用扭矩扳手时，施力方向应与扳手手柄的方向垂直，偏离角度过大会在螺栓上产生一个弯曲力，同时增大单边摩擦，引起扭矩值不准。 作用力F偏离扳手手柄垂直方向的角度，F可分解为沿扭矩扳手方向的力F1和垂直于扭矩扳手方向的力F2。当施力方向不垂直于沿扳手方向时，会导致扭矩扳手输出的扭矩值不准确，影响产品的装配质量。

2.2读数的影响 对于指针式扭矩扳手或显示不稳定的数显式扭矩扳手，在读数时一般需进行估读，从而带来误差，JJG707-2014《扭矩扳子检定规程》规定：指针式扭矩扳手的分辨力r依据指针指示部分宽度与标尺或度盘两相邻刻线间距的比来确定。一般为分值度的1/2，1/4，1/5。数显式扭矩扳手分辨力r在零扭矩条件下观察，显示稳定时分辨力为最小示值增量，显示不稳定时为波动范围的1/2。 设由读数带来的误差占扭矩扳子整体示值误差的比例为P，则测量范围为（20-100）Nm，准确度等级为4级，相对分辨力为2.0%的指针式扭矩扳手，则K使用测量点在测量上限的20%，40%，60%，80%，100%处由读数带来的示值相对误差表。 可见在使用测量点20Nm处，读数误差为2%，占整个扭矩扳手示值相對误差的比例达到50%，而随着使用测量点扭矩值的增大，读淑误差一次递减，因此在扭矩扳手的测量下限处，读数误差所造成的影响最大。

2.4螺栓摩擦的影响 扭矩扳手的主要作用是紧固螺栓，但在使用过程中，螺纹连接件之间存在摩擦，而有摩擦造成的扭矩损耗量测量困难，因此往往可能出现扭矩值波动不准确的情况，在扭紧螺纹的过程中，扭矩T与预紧力Q存在正比关系。其中K可概括影响扭矩和预紧力关系的每一个因素，如摩擦系数，扭转变形，弯曲变形，螺纹牙变形等，由于摩擦与K有直接关系，所以T值的准确度取决于螺纹与接触面之间的摩擦损耗，在扭紧的过程中，要克服螺纹间的螺纹扭矩T1与被连接件的支撑面端的摩擦扭矩T2。 预紧力的大小根据螺栓组受力和连接的工况要求而定，一般规定拧紧后螺纹连接件的预紧力不得大于其材料承受力的80%，对于相对重要的螺纹连接，其产品手册中所列的参数包括：螺纹的种类，规格，摩擦系数，材料的屈服极限，推荐的扭紧扭矩指示值等，可根据相关参数选择扭紧扭矩的大小。 在扭矩扳手的使用中，螺栓头底部和被连接件表面的摩擦可消耗50%的扭矩，其他30-40%的扭矩损失在螺纹处的摩擦，仅有10%左右的扭矩能够有效的运用在拧紧螺栓上。必须控制螺栓，螺帽的材质，热处理，加工精度，并检查表面是否有凹痕，裂纹等情况。

3使用中应注意的问题

综上所述，一把检定合格且在有效期内的扭矩扳手，在不同工况或由不同的操作人员使用会出现示值波动不稳或数字不准确的情况，从而导致装配质量不合格，因此在实际操作中，除了避免上文分析的情况外，还应注意以下事项：

（1）扭矩扳手的使用范围是其测量上限的20-100%，但大量实践证明，最佳使用范围在30-90%，因为在这个范围使用，扭矩扳手内部的弹簧有一个良好的预紧力而又保持足够的变形余量，而且大多数扭矩扳手不合格点都在其测量下限附近。

（2）使用前应检查扭矩扳手极其附件，不应有裂纹，损伤，锈蚀等影响使用的缺陷，指针式显示装置的指针从动针无松动和弯曲，刻度盘上刻线应均匀一致，数显式装置应有峰值保持功能。

（3）使用前应按使用方向对扭矩扳手预加最大扭矩3次，使其内部结构处于良好的工作状况。

（4）施加扭矩时，手应握在把手的手握刻线处，任意增加或缩短其长度，扭矩值都会存在微小的波动。

（5）施力速度应尽可能平稳，这样施加的扭矩值准确度高，重复性好。

（6）实用完成后，应将扭矩扳手调制最小刻线处。

（7）扭矩扳手应妥善保管，不宜与水及酸碱性气液体接触。

4结束语

扭矩扳手作为一种机械式的扭力工具，示值误差是影响其准确度的最重要因素之一，在使用扭矩扳手的过程中由于操作不当或考虑因素不周全会严重影响扭矩的示值误差，进而导致产品的质量不合格，在工业生产中，对装配质量的控制极其重要，因螺栓松动而导致的产品质量问题和安全事故事例不计其数，所以对扭矩扳手的正确认识和使用对保证装配精度，提高产品质量有着重要意义。

参考文献：

[1]纪绍伟 杨军 汤蕊等，手动扭矩工具极其误差调整[J]计量技术，2011（5）：74-76

[2]付君君，徐志广，赵平平等，扭矩扳手检定中影响量问题的探讨[J]电子测量技术，2014（37）1：109-111

作者简介：赵晓君（1990），男，安徽省马鞍山市，毕业于北京交通大学汽车运用工程专业，长期从事汽车焊接工艺方面的研究管理工作。