扭矩是什么意思

一、什么是扭矩

发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。扭矩的单位为牛米(Nm)。在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系,转速越快扭矩越小,反之越大,它反映了车辆在一定范围内的负载能力。
在汽车装配上,采用螺栓、螺母对不同零件进行连接,是一种常见的连接方式。采用螺栓、螺母连接就必须通过对螺栓、螺母施加一定的扭矩,以到达拧紧的目的,使两被连接体紧密贴合,并为承受一定的动载荷,还需要两被连接体间具备足够的夹紧力,以确保被连接零件的可靠连接和正常工作。
这样就要求作为连接用的螺栓、螺母,在拧紧后要具有足够的轴向夹紧力。然而这些力的施加,也都是依靠“拧紧”来实现。为了便于管控,通过转化为扭矩进行识别及监控。如果一旦出现连接不当,即扭矩不符合要求,可能发生汽车零部件功能失效,影响用户使用,甚至车毁人亡的事故。
过程能力也称工序能力,是指过程加工方面满足加工质量的能力,它是衡量过程加工内在一致性的,最稳态下的最小波动。
当过程处于稳态时,产品的质量特性值有99.73%散布在区间[μ-3σ,μ+3σ],(其中μ为产品特性值的总体均值,σ为产品特性值总体标准差)也即几乎全部产品特性值都落在6σ的范围内。扭矩质量,作为一种质量特性,其过程能力的高低,在汽车装配上尤为关键。

二、扭矩是如何产生的

简单的说是引擎气缸产生的爆炸力,爆炸力驱动气缸做功,向下运动就是力,力经过连杆施加到曲轴上,驱动曲轴旋转,这就成了我们所说的扭矩。
轮上扭矩的定义是是引擎输出的扭矩经过变速箱等传动系统传递到车轮上而获得,这个扭力并不与引擎扭矩对等,因为经过传动系统之后扭矩会被放大。而在变速箱等传动系统相同的情况下(如变速箱齿比、挡位等数据相同),引擎输出扭矩越大,轮上扭矩就越大。
但我们必须知道的是,引擎扭矩不是决定车辆加速大小的直接因素,因为它还要经过传动系统的放大效应,将发动机扭矩乘以传动比(变速箱传动比×终传比),才得到真正决定加速性能的轮上扭矩。
而真正作用在轮胎与地面的牵引力,则是由轮上扭矩除以车轮半径得到的(力=力矩÷力臂),因此牵引力=发动机扭矩×变速箱齿比×最终齿轮比×机械效率÷轮胎半径,在轮圈轮胎不变的情况下,轮上扭矩越大,那么车轮的牵引力越大,所以在整车阻力、整车质量相同情况下,加速度越大。

三、扭矩计量检测装置

在工业生产过程中,扭矩检测装置不可或缺,采用扭矩计量检测装置,可以精准检测某部件的扭力或扭矩值,确保能够扭紧装置,使所生产的产品能够安全稳定运行。扭矩检测装置在工业生产过程中具有重要作用,通过科学、合理的检测装置及方法,确保扭矩检测的准确性。
1、油封连续旋转扭矩检测装置
传统的油封连续旋转扭矩检测装置,借助于刚性连轴器或者是弹性连轴器,连接扭矩传感器和被测油封,在连续旋转等条件下对油封进行扭矩检测。
该连接方法可能会导致扭矩传感器受到弯矩的干扰,原因在于机械加工过程中误差是不可避免的,并且装配时同心度得不到保证,导致试样轴心和传感器轴心的同心度得不到保证。
扭矩传感器作为一种元件,非常敏感,要保证其不受到弯矩的干扰,特别是两端的输入输出轴。如果扭矩传感器两端的输入和输出轴受到了弯矩干扰,扭矩传感器的输出值就会受到影响,会偏离真实值。
为了解决油封连续旋转扭矩检测装置存在的这一问题,可以采取的方法是在电机与扭矩传感器之间连接连轴器,这可以使轴心不同,对扭矩测量精度产生的影响大大减小。
但是这种解决方法的缺点是装置的整体结构会被大大延长,并且占用空间较大,由于传感器、被测件以及电机之间需要进行多个环节的连接,会使测量精度受到影响。
2、高阻尼橡胶传动组件扭矩检测装置
高阻尼橡胶传动组件扭矩检测装置,主要检测的产品是橡胶吸盘,其工作台上装有报警灯和操作台,工作台上方装有夹具,起到限制橡胶吸盘外圈转动的作用,橡胶吸盘内圈上连接有扭转机构,起到的作用是使橡胶吸盘内圈相对于外圈转动,此外,扭转机构不仅设置有扭矩传感器,其输入端连接着动力装置。报警灯以及操作台通过信号的形式与扭矩传感器进行连接。
3、大规格矩形截面扭簧检测装置
大规格矩形截面扭簧是一种矩形截面扭簧,其外径大于Ф100mm,截面大于8mm×6.4mm,如图1所示为矩形扭簧的结构和检测要求。本例中的扭簧是某弹射装置中的核心零件,起到的作用是实现弹射功能,为了保证扭簧使用机械性能的正常发挥,需要按照设计要求对扭簧进行扭矩检测和立定处理。
该扭簧结构与传统的扭簧结构存在较大不同,其突出特点是无外梁壁、规格大、扭矩检测和立定处理过程中需要扭转很大的角度,其最大扭转角度可达162°,立定处理过程中最大扭转角度可达195°,可以直接使用的检测设备,市场供应商较少,因此,为解决这一问题,综合考虑矩形截面扭簧模型结构的特点,设计了一种比较实用的扭矩检测装置。

四、扭矩检测方法

1、扭矩传感器检测方法
传统扭矩传感器检测方法,主要为以下两种方法:
1)在被测对象以及驱动设备之间连接扭矩传感器;
2)是检测之前在被测对象的相关部位贴应变片。
第一种检测方法普遍适用于连续旋转,存在的不足之处是安装时要求较高。用于一些较小的工件时,检测结果会受到扭矩传感器安装的影响,并且在装夹时难度较高。此外,检测结果还可能受到传感器自身负载效应的影响;
第二种方法对被测对象表面提出了很高要求,在测量连续旋转对象方面不适用。对于一些对检测要求不高的物件,通常可以采用无扭矩传感器检测,该方法在实时监测扭矩变化的疲劳试验方面很适用。
2、重载复合驱动系统检测方法
重载复合驱动系统,需要实现的是机器人关节臂的精准定位和大负载驱动,需要借助于伺服电机的高精准度以及液压系统的较大负载能力,在充分发挥各自优点的基础上,借助于液压马达对平衡关节臂载荷通过扭矩进行跟踪,并且在关节位置处对伺服电机进行随动跟踪,确保关节臂能够同步跟踪伺服电机,实现最终目的。同时,要将负责驱动关节型机械臂的伺服电机的定位功能和承载功能进行部分分离,并且在液压系统的辅助下实现复合伺服驱动,进而将机械臂的承载能力予以大幅度提高,确保在重载荷条件下关节臂还能够保持较高的定位精度。
3、联合收获机脱粒滚筒扭矩检测方法
脱粒滚筒扭矩测量方法主要有两种,分别为扭矩传感器和皮带张力。研究得知,测量滚筒的扭矩在滚筒轴上安装应变片就可以实现。考虑到滚筒轴刚度较大,不会出现明显的形变可以采用扭矩传感器,但是存在系统结构复杂,安装不方便的缺点。对于皮带张力而言,滚筒负荷变化会通过皮带张力灵敏地反应出来,并且滚筒负荷与滚筒扭矩存在比例关系。
扭矩在物理学中就是力矩的大小,等于力和力臂的乘积,国际单位是牛米Nm,此外我们还可以看见kgm、lb-ft这样的扭矩单位,由于G=mg,当g=9.8的时候,1kg=9.8N,所以1kgm=9.8Nm,而磅尺lb-ft则是英制的扭矩单位,1lb=0.4536kg;1ft=0.3048m,可以算出1lb-ft=0.13826kgm。
在人们日常表达里,扭矩常常被称为扭力(在物理学中这是2个不同的概念)。现在我们举个例子:8代Civic 1.8的扭矩为173.5Nm@4300rpm,表示引擎在4300转/分时的输出扭矩为173.5Nm,那173.5N的力量怎么能使1吨多的汽车跑起来呢?其实引擎发出的扭矩要经过放大(代价就是同时将转速降低)这就要靠变速箱、终传和轮胎了。
引擎释放出的扭力先经过变速箱作“可调”的扭矩放大(或在超比挡时缩小)再传到终传(尾牙)里作进一步的放大(同时转速进一步降低),最后通过轮胎将驱动力释放出来。
如某车的1挡齿比(齿轮的齿数比,本质就是齿轮的半径比)是3,尾牙为4,轮胎半径为0.3米,原扭矩是200Nm的话,最后在轮轴的扭力就变成200×3×4=2400Nm(设传动效率为100%)在除以轮胎半径0.3米后,轮胎与地面摩擦的部分就有2400Nm/0.3m=8000N的驱动力,这就足以驱动汽车了。

五、扭矩控制提升过程案例分析及研究

1、调整工具设定值
CN112下摆臂与车身,该控制点工艺范围是100~130N.m。初期,该控制点过程能力较低,Cpk仅为0.56,如图1所示,扭矩偏低。同时,因较低扭矩,导致连接处出现异响。
经调查发现,该控制点工艺范围是100~130N.m,工具设定值为105N.m,工具设定值过低。调整为115N.m后,采集数据进行Cpk计算,得Cpk=1.40,如图2所示,同时进行为期一个月的质量跟踪,未出现因该控制点扭矩过低造成的车辆异响。
2、调整工艺范围(静态扭矩)
CN200左前门到左前门铰链,该控制点工艺范围是22~38 N.m,该点合格率为97.6%。在进行过程能力计算(采用Mintab计算)及分析时发现,该点的CPK较低,仅为0.49。如图3所示,数据整体偏下限。
经调查,未发现人员操作、工具、零件等有异常变化。调取项目阶段用于计算静态扭矩的原始数据,可看出,当时项目阶段数据采用指针扳手采集,现阶段使用数显扳手采集。两者有一定差异,指针扳手数据偏高,数显扳手数据偏低。第一次计算使用的原数据偏高,其结果也相对现在的偏高,进而导致当前扭矩数据整体偏低,Cpk也较低。于是,使用当前数据重新计算静态扭矩,制定新的工艺范围。调整后,工艺范围是18~34 N.m,Cpk也提升至1.61,如图4所示。
3、调整拧紧工艺(即拧紧顺序)
CN200外后视镜工艺范围为4~8 N.m,扭矩合格率较低,为80%左右,Cpk也仅为0.34,如图5所示。
现场调查发现,外后视镜双头螺栓六角头面与外后视镜底面的距离高低不一,但经拆卸外后视镜后发现门钣金都有被双头螺栓六角头面压过的压痕,说明螺母都曾实现紧固。得出结论为扭力衰减使得扭力不合格。该点的拧紧工艺从上而下,如图6所示,1→2→3。
根据实车装配,发现外后视镜在装配过程中,外后视镜镜座跟水切搭接的角与钣金干涉,导致门外板钣金会往车内收缩才能打紧最下端安装点,但是门外板的收缩对已打紧的螺母扭力影响较大,发现更改拧紧顺序,即改为3→2→1,应有更好的效果。
经验证,调整拧紧顺序后,扭矩合格率提升至99.0%,Cpk也提升至0.69,如图7所示。
4、调整电枪程序
CN200制动踏板固定至前隔板Cpk较低,6颗螺母CPK均低于1,如图8所示。经查看其拧紧程序,发现仅用两步拧紧,对于最终静态扭矩获得效果不佳。
经分析,对电枪拧紧程序进行调整,见表1。
调整拧紧程序后进行验证,Cpk提升至1.50,如图9所示。
5、使用更适宜的工装
CN200轮胎螺母扭矩Cpk总体偏低,20颗螺母Cpk均小于1,如图10所示。
经过现场调查发现,轮胎拧紧机使用两种套筒,一种是为红色保护套,如图11所示,一种为蓝色保护套,如图12所示,测量两者的尺寸对比发现,见表2,蓝色保护套的套筒尺寸较大,与轮胎螺栓安装孔径相近,在拧紧过程中因保护套与安装孔内壁摩擦以及保护套与套筒之间的相互摩擦损耗扭矩,导致静态偏小。
统一使用红色保护套后,Cpk提升,原20颗螺母Cpk均小于1,现已有12颗螺母Cpk大于1,如图13所示。
6、使用更高精度的制造设备
CN200发动机悬置-发动机侧1.5,该点工艺范围是99~123 N.m,使用扭矩扳手进行施加扭矩。扭矩扳手是一种人工手动拧紧工具,其精度为10%左右,结果显示该点Cpk=0.34,如图14所示。
CN201车型在二期投产,考虑到该控制点的工具精度较低,设定值较高(110 N.m),人工作业强度大,进而选用自动控制设备——电枪进行作业,施加扭矩。该工具由阿特拉斯提供,产品精度为达3%~4%,较好的满足了现场制造的需要。结合静态释放,大幅提高了该控制点的合格率及Cpk,如图15所示。
所以综合来看,要提高过程能力,可以通过调整过程加工中心,减少中心偏移量、减少分散程度、修订公差范围获得。
首先,减少过程加工中心偏移量,可采取以下措施:
①通过数据收集,进行统计分析,找出大量连续生产过程中由于工具磨损、加工条件随时间逐渐变化而产生偏移的规律,及时进行中心调整,或采取补偿工具偏差等;
②根据中心偏移量,可调整工具等的设定值;
③根据操作者施加力度的常规表现,反向纠正并培训等措施。
其次,减少分散程度,可通过修订过程,改进工艺方法,修订操作规程,优化工艺参数;检修、改造或更新设备,改造、增添与公差要求相适应的精度较高的设备;对关键过程、特殊工艺的操作者进行技术培训,并考核;加强现场的质量控制,推行控制图管理。
然后,确保修订公差范围前提条件是放宽公差范围不会影响产品质量。
总的来说,应把减少中心偏移量,作为提高过程能力的首要措施,只有当中心偏移量为零,而Cp值仍然小于1时,才考虑减少过程加工的分散程度或考虑是否有可能放宽公差范围。同时,过程因素加强对5M1E,即人、机、料、法、环、测的控制,才能从源头上提升过程能力。
最后,将在此过程中发现的问题及积累的检验反馈到研发设计部门,从而进一步提升产品加工的过程能力,保证高质量产品输出。

六、扭矩做的功如何计算

有一个半径为R的刚体圆盘可以绕轴O转动,力F沿圆盘边缘的切线方向作用于圆盘边缘上确定的A点。
在一个很小的时间间隔Δt内圆盘转过了角度Δθ,现在计算在圆盘转过角度Δθ的过程中力F做的功。由于时间间隔Δt很小,所以A 点沿圆周的位移Δx 基本上沿力F的方向,υ= ΔxΔt即为A点的速度,υ基本上也沿力F的方向,因此力F做功W=FΔx=FυΔt。
因为力F作用线到轴O的距离即为圆盘的半径R,所以力F的力矩M=FR
力做功就是力矩做功,当圆盘转动的方向和力矩的方向相同(同为顺时针或同为逆时针)时,力做正功,力矩也做正功;当圆盘转动的方向和力矩的方向相反(一个顺时针而另一个逆时针)时,力做负功,力矩也做负功。
Δt 内圆盘转过Δθ,当Δθ用弧度为单位时,A点沿圆周的位移Δx=RΔθ。圆盘转动的角速度ω=Δθ/Δt,因此A点的速度υ=ωR。
于是力F做的功可以表示为W=FΔx=FRΔθ=MΔθ=FωΔt=FωRΔt=MωΔt因此力矩M做的功W=MΔθ=MωΔt

七、扭矩和功率的差距

其实功率和扭矩都是物理概念,解释起来比较生涩难懂,打个不科学的比方:如果把汽油比作食物,那么功率就相当于吃东西的速度,同样的时间吃得越多,就相当于功率越大;而每一口能吃多少食物,就相当于扭矩有多大。值得注意的是,口大并不等于吃东西快,嘴巴动得像仓鼠一样快的人也是有的。原文地址:http://www.pikacn.com/news/201611/5249.html