西安思源學(xué)院工學(xué)院 譚栓斌

陜西眾拓科技發(fā)展有限公司 朱智民

西安思源學(xué)院工學(xué)院 胥云博

基于Pro/E的扭矩扳手仿真

西安思源學(xué)院工學(xué)院 譚栓斌

陜西眾拓科技發(fā)展有限公司 朱智民

西安思源學(xué)院工學(xué)院 胥云博

本文以汽車常用扭矩扳手為例，詳細(xì)測繪該扭矩扳手的各個零件。在此基礎(chǔ)上，使用三維軟件Pro/E構(gòu)建其裝配圖，并且分析其運(yùn)動狀態(tài)和受力情況。結(jié)果表明：當(dāng)彈簧壓縮為1mm時，所對應(yīng)的設(shè)定力矩為0．53 N·m。當(dāng)扳手頭部施加0．53 N·m的力矩時，扭矩扳手會碰撞套筒，并且聯(lián)接桿受力明顯減小，方向接近于水平。

扭矩扳手；仿真；扭矩值

一、引言

扭矩扳手廣泛用于對擰緊工藝有嚴(yán)格要求的裝配線，比如汽車發(fā)動機(jī)的裝配線。使用扭矩扳手可以使各個緊固件扭矩值達(dá)到合理的設(shè)計(jì)值，從而保障產(chǎn)品的均勻性和可靠性。按照使用動力的區(qū)別，扭矩扳手一般分為手動、氣動和電動扭矩扳手。其中，手動機(jī)械音響扭矩扳手因?yàn)閮r格便宜，扭矩調(diào)整方便，扭矩精度可以控制，所以仍然是市場的主力產(chǎn)品。

在實(shí)際工作中，為了保證緊固件扭矩值的一致性，常常要求扭矩扳手設(shè)定的扭矩值具有穩(wěn)定性，因此對于扭矩扳手的質(zhì)量有嚴(yán)格的要求。與日本、德國等發(fā)達(dá)國家的扭矩扳手相比較，我國制造的扭矩扳手不管是扭矩值的設(shè)定，扭矩值的穩(wěn)定性方面都還有較大的差距。本文以某著名廠家的扭矩扳手（扭矩值小于50N·m）為例，詳細(xì)測繪該扭矩扳手的各個零件。在此基礎(chǔ)上，使用三維軟件Pro/ E構(gòu)建其裝配圖，并且分析其運(yùn)動狀態(tài)和受力情況。

二、建模

詳細(xì)測繪該扭矩扳手的各個零部件，應(yīng)用Pro/E軟件進(jìn)行裝配，圖1為裝配效果圖。爆炸展開后見圖2所示。從總體上來說，該扭矩扳手可以分為三部分，分別為頭部，中部和尾部。

頭部的主要作用是連接緊固件和扭矩扳手，并且按照需要使得扳手可以進(jìn)行順時針和逆時針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。完成這些功能主要依靠零件10、9和2。一方面，零件10的方頭可以連接緊固件，另外一方面，當(dāng)撥動控制桿2時，零件9的左或者右便和零件10的齒輪部分緊密配合，這種情況下扭矩扳手只能進(jìn)行順時針或者逆時針單向轉(zhuǎn)動施加扭矩，反向不能施加任何扭矩。這樣可以讓扭矩扳手在進(jìn)行零件的拆卸或組裝時，可以連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，不用脫離緊固件。從而大大提高了工作效率。

尾部的主要作用是扭矩值的設(shè)置，這部分功能主要依靠零件21、26和27等來完成。旋轉(zhuǎn)扭矩調(diào)整環(huán)26，在扭矩調(diào)整螺母22等零件的作用下，壓縮彈簧21，當(dāng)扭矩值到達(dá)所設(shè)定的值時，通過鎖定螺釘27進(jìn)行扭矩值的鎖定，以防止在工作過程中扭矩值的變化。

中部為一脫開機(jī)構(gòu)，這部分功能主要依靠零件3、5、16和19等來完成。當(dāng)扭矩扳手不工作時，在零件21彈簧的作用下，零件3的斜面緊貼零件19的斜面部分；當(dāng)旋轉(zhuǎn)扭矩扳手進(jìn)行工作時，扭矩到達(dá)所設(shè)定的扭矩值時，零件3繞著零件14的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時零件16便開始轉(zhuǎn)動，零件16轉(zhuǎn)動的結(jié)果使得零件19向右運(yùn)動進(jìn)一步壓縮彈簧。此部分為扭矩扳手的核心之一，在零件16的作用下，零件19向右運(yùn)動，表面看起來零件19越向右運(yùn)動，彈簧對其的作用力便越大，似乎零件19不可能繼續(xù)向右運(yùn)動，但是，隨著零件19向右運(yùn)動，零件16對零件19的作用力矩卻在增大，增大的主要原因是隨著零件16的旋轉(zhuǎn)，零件3通過零件16對零件19的作用力臂在不斷增大。正是這一原因，只要一達(dá)到所設(shè)定的扭矩值，零件3便繞著零件14進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直到零件3右端的突出部分碰到零件17而發(fā)出清脆的"卡塔"聲，提示操作者扭矩值已達(dá)到設(shè)定值，不應(yīng)該繼續(xù)加力。

Figure 1. Model of torque wrench圖1扭矩扳手Pro/E建模圖

Figure 2. Exploded fi gure of torque wrench圖2 扭力扳手爆炸圖

三、仿真

為了說明問題的方便，扭矩扳手可以用如圖3所示的簡化方式進(jìn)行表示。當(dāng)設(shè)置好一扭矩值的時候，主彈簧處于壓縮狀態(tài)。如果扭矩扳手開始旋轉(zhuǎn)擰緊螺釘，如圖4所示，相當(dāng)于在扳手頭部施加一個力矩，在這一力矩的作用下，扳手桿圍繞支撐部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時導(dǎo)致連接板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，隨著連接板的旋轉(zhuǎn)，連接板推動滑塊向右運(yùn)動，并且壓縮彈簧。當(dāng)位于扳手桿右部的突出部分碰撞扭矩扳手套管的外壁，發(fā)出清脆的"卡塔"聲，扳手桿、連接板不再旋轉(zhuǎn)，滑塊不再向右運(yùn)動，彈簧不再進(jìn)一步受到壓縮，其運(yùn)動狀態(tài)如圖5所示。

Figure 3. Kinematic sketch of torque wrench圖3 扭矩扳手運(yùn)動傳遞簡圖

Figure 4. Initial working sketch of torque wrench圖4 設(shè)定好扭矩值的扭矩扳手開始工作示意圖

Figure 5. Final working sketch of torque wrench圖5 達(dá)到設(shè)定扭矩值時扭矩扳手狀態(tài)圖

按照以上的分析，在Pro/E進(jìn)行仿真的時候，主要設(shè)定如圖4所示的4個銷釘連接，銷釘連接在仿真進(jìn)行的時候只有一個旋轉(zhuǎn)的自由度；1個滑塊連接，所設(shè)定滑塊連接在圖4所示的狀態(tài)只有左右平移的一個自由度。選定彈簧的基本參數(shù)為F=K(u-x)，其中K值設(shè)定為5N/mm，彈簧的自由長度為50mm，設(shè)定好扭矩值，對應(yīng)的彈簧長度為49mm。

四、結(jié)果分析

按照以上設(shè)定的初始條件在機(jī)構(gòu)分析模塊中對扭矩扳手進(jìn)行靜態(tài)分析。Pro/E的靜態(tài)分析主要研究機(jī)構(gòu)中主體平衡時的受力狀態(tài)，由于不考慮速度和慣性，這種機(jī)構(gòu)分析模式比動態(tài)分析可以更快的找到平衡狀態(tài)。

進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真分析的時候，在圖3所示的扳手頭部施加一系列力矩，觀察連接板的運(yùn)動狀態(tài)。結(jié)果顯示：當(dāng)施加力矩小于0.53 N·m的時候，扭矩扳手處于圖4所描述的狀態(tài)；當(dāng)施加力矩等于0.53 N·m的時候，扭矩扳手的連接板發(fā)生旋轉(zhuǎn)，并且會達(dá)到圖5所示的狀態(tài)；施加力矩不存在大于0.53 N·m的時候，因?yàn)橹灰┘恿氐扔?.53 N·m，扭矩扳手就會發(fā)出清脆的"卡塔"聲，提醒操作者已經(jīng)到達(dá)所設(shè)定的扭矩。通過以上的分析，可以明顯的看出，彈簧由50mm壓縮到49mm，所對應(yīng)的扭矩扳手扭矩值為0.53 N·m。

Pro/E的靜態(tài)分析的結(jié)果顯示，當(dāng)在扭矩扳手頭部施加5291N·mm(0.53 N·m)的力矩時，扳手開始工作時候主要元件的受力圖見圖6所示。圖中左邊的箭頭表示支撐部分對于扳手桿作用力的方向和大小，力的大小約為66N。圖中右邊的兩個大小相等，方向相反的箭頭表示扳手桿和滑塊對連接板作用力的大小和方向，力的大小約為73N。同時，彈簧被壓縮1mm，彈簧所受的壓縮力約為5.4N。

Figure 6. Initial force diagram of torque wrench applied torque of 0.53 N·m圖6 施加力矩為0.53 N·m扳手開始運(yùn)動瞬間受力圖

Figure 7. Final force diagram of torque wrench applied torque of 0.53 N·m圖7 施加力矩為0.53 N·m扳手受力平衡受力圖

當(dāng)在扭矩扳手頭部施加5291N·mm(0.53 N·m)的力矩時，扳手處于平衡時候主要元件的受力圖見圖7所示。圖中左邊的箭頭表示支撐部分對于扳手桿作用力的方向和大小，力的大小約為101N，相比較與上圖，力的方向變化較小，力的大小從66N增加到101N，增加很明顯。圖中右邊的兩個大小相等，方向相反的箭頭表示扳手桿和滑塊對連接板作用力的大小和方向，力的大小約為25N，相比較與上圖，力的大小和方向變化都非常明顯，力的大小從73N減小到25N，力的方向從接近鉛錘方向變化為接近水平方向。在以上分析的力中間，還存在一個大小為94.6N的力，這是由于扳手桿運(yùn)動到碰撞套管，套管對扳手桿有一接近向上的作用力。同時，彈簧被壓縮5mm，彈簧所受的壓縮力約為24.7N，增加很明顯。

五、結(jié)論

a) 利用Pro/E清楚的再現(xiàn)了扭矩扳手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動。

b) 當(dāng)彈簧壓縮為1mm時，所對應(yīng)的設(shè)定力矩為0.53 N·m。

c) 當(dāng)扳手頭部施加0.53 N·m的力矩時，扭矩扳手會碰撞套筒，并且連接桿受力明顯減小，方向接近于水平。

[1]祝凌云,李斌編． Pro/Engineer運(yùn)動仿真和有限元分析[M]．北京:人民郵電出版社,2004．

譚栓斌（1970-），男，高級工程師，研究方向?yàn)椴牧铣尚秃湍＞咴O(shè)計(jì)。

陜西省教育廳自然科學(xué)基金（12JK1069）