一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置的制作方法

1.本发明涉及机械装配技术领域，具体涉及一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置。


背景技术：

2.螺纹连接是一种可以拆卸、可重复使用的连接方法，在各种机械设备中使用非常广泛。通常被用来连接和紧固一些零部件。在一些精密结构的装配过程中，拧紧力矩的大小直接决定了连接零件之间产生的轴向力的大小，影响结构的可靠性与功能性，因此准确获得螺纹连接结构的拧紧力矩和轴向力之间的关系，可以提高精密结构的装配水平。
3.国内外学者通过理论建模、有限元仿真、以及设计实验等方法给出了拧紧力矩和轴向力之间的关系，这些方法对于一些比较常用的螺纹连接结构能够给出令人满意的解答，但随着螺纹连接的形式更加广泛的应用到各类复杂的精密结构中，以上的方法往往存在一定局限性：
4.(1)使用理论建模方法计算拧紧力矩和轴向力之间的关系时，需要确定螺纹副的摩擦系数，对于复杂的结构还需要确定其它接触面的摩擦系数以及承力半径，而摩擦系数受到材料、表面粗糙度以及表面润滑工艺参数等多种因素的影响，对使用了新材料和新的表面处理工艺的复杂结构，理论建模方法中相关参数不易确定；
5.(2)有限元仿真方法在计算时也需要知道连接结构之间的摩擦系数，除此之外，有限元方法的计算精度与网格的尺寸，边界条件的设置等因素有很大的关系，对于复杂的精密结构，有限元方法的计算精度难以衡量；
6.(3)传统的试验方法，对于一般的螺纹连接结构(如螺栓螺母)往往采用应变法进行测量，直接在螺杆的外表面贴上应变片即可测量轴向力，但对于一些特殊的螺纹连接结构(如图1所示)，在拧紧过程中待测螺纹件产生的轴向力作用于外套螺母的内部，使得应变片无法直接贴在待测螺纹件上进行测量。
7.因此，发明人提供了一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置。


技术实现要素：

8.(1)要解决的技术问题
9.本发明实施例提供了一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，解决了复杂螺纹结构的拧紧力矩-轴向力测量难度大的技术问题。
10.(2)技术方案
11.本发明提供了一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，包括外套螺母、阳接头、固定支架、轴力传递件、第一滚珠和轴力测试件；其中，
12.所述外套螺母螺纹连接于所述阳接头的第一端，所述阳接头的第二端贯穿于所述固定支架，所述轴力测试件安装于所述固定支架上，所述轴力传递件依次贯穿于所述外套螺母、所述阳接头且通过所述第一滚珠与所述轴力测试件点接触。
13.进一步地，所述测试装置还包括垫块，所述轴力测试件的一端通过所述垫块与所述固定支架的下端面接触。
14.进一步地，所述测试装置还包括第二滚珠，所述轴力测试件的一端通过所述第二滚珠与所述垫块点接触。
15.进一步地，所述固定支架包括固定板和支柱，多个沿竖直方向间隔设置的所述固定板通过所述支柱固定连接。
16.进一步地，所述固定板为方形平板结构，其上开设有用于与其它结构配合的螺纹孔。
17.进一步地，所述支柱为柱形结构，多个所述支柱的两端均连接于所述固定板的边角处。
18.进一步地，所述轴力传递件为具有阶梯特征的柱形结构，其粗段外径小于所述外套螺母的内螺纹，在轴向方向上通过接触面与所述外套螺母配合，其细段外径小于所述阳接头的内径。
19.进一步地，所述轴力测试件为柱形结构，其表面贴设有用于测量轴向变形的应变片，或使用压力传感器直接获得轴向力数据。
20.进一步地，当所述轴力测试件为阶梯轴结构时，所述固定板至少为三个，且所述轴力测试件的每一同径段的下端在拧紧力矩小于设定值时与相邻的下层固定板之间具有设定间隙。
21.进一步地，所述轴力测试件包括相互连接、且径向尺寸依次递减的多节柱状体。
22.(3)有益效果
23.综上，本发明通过轴力传递件将外套螺母、阳接头及待测螺纹件形成的螺纹连接结构在装配过程中产生的位于结构内部轴向力传递到外部轴力测试结构上进行测量，解决了复杂螺纹连接结构在拧紧力矩作用时轴向力产生在结构内部而不易被测量的问题。同时，在测试不同规格螺纹连接件时，只需改变阳接头上螺纹的规格，并更换相应的外套螺母，无需对整个工装进行修改，避免了繁琐的装置拆卸过程。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是现有的螺纹连接结构的装配示意图；
26.图2是本发明实施例提供的一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置的结构示意图；
27.图3是本发明实施例提供的一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置的剖视图；
28.图4是本发明实施例提供的另一螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置的结构示意图；
29.图5是本发明实施例提供的另一螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置的剖视
图；
30.图6是本发明实施例提供的一种具有阶梯轴结构的轴力测试件的结构示意图。
31.图中：
32.1-外套螺母；2-阳接头；3-固定板；4-支柱；5-轴力传递件；6-第一滚珠；7-轴力测试件；8-垫块；9-第二滚珠；100-待测螺纹件。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.图2是本发明实施例提供的一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置的结构示意图，如图2-3所示，该测试装置可以包括外套螺母1、阳接头2、固定支架、轴力传递件5、第一滚珠6和轴力测试件7；外套螺母1螺纹连接于阳接头2的第一端，阳接头2的第二端贯穿于固定支架，轴力测试件7安装于固定支架上，轴力传递件5依次贯穿于外套螺母1、阳接头2且通过第一滚珠6与轴力测试件7点接触。
38.在上述实施方式中，通过轴力传递件5将外套螺母1、阳接头2及待测螺纹件100形成的螺纹连接结构在装配过程中产生的位于结构内部轴向力传递到外部轴力测试结构上进行测量。如图1所示，装配过程中，待测螺纹件100通过螺纹结构与阳接头2连接，拧紧螺纹过程待测螺纹件100和阳接头2之间互相挤压产生轴向力，由于待测螺纹件100在受压过程中受力部位在外套螺母1的内部，不方便测量，因此采用轴力传递件5代替待测螺纹件100，将产生的轴向力传递到外部进行测量，解决了复杂螺纹连接结构在拧紧力矩作用时轴向力产生在结构内部而不易被测量的问题。同时，在测试不同规格螺纹连接件时，只需改变阳接头2上螺纹的规格，并更换相应的外套螺母1，无需对整个工装进行修改，避免了繁琐的装置拆卸过程。
39.该测试装置在测试不同规格螺纹连接件时，不仅考虑了外套螺母1与阳接头2的螺纹面上的摩擦，也考虑了外套螺母1与轴力传递件5之间配合面的摩擦，使得测试的结果更接近实际装配的结果。
40.其中，外套螺母1可根据实际的螺纹结构进行选择，图2-3中仅为某一种形式的外套螺母，其内部含有与阳接头2上的螺纹结构进行配合的螺纹；阳接头2的两端分别与固定支架、外套螺母1配合，起到提供与外套螺母1相配合的螺纹结构的作用，仅需保证螺纹与实际结构中的螺纹一致即可。
41.同时，在轴力传递件5与轴力测试件7的接触面上设置第一滚珠6的目的是为了确保轴向力传递过程中不会偏移。
42.作为一种可选的实施方式，如图2-3所示，测试装置还包括垫块8，轴力测试件7的一端通过垫块8与固定支架的下端面接触。
43.作为一种可选的实施方式，如图3所示，测试装置还包括第二滚珠9，轴力测试件7的一端通过第二滚珠9与垫块8点接触。其中，在轴力测试件7与垫块8的接触面上设置第二滚珠9的目的是为了与第一滚珠6相互配合以确保轴向力传递过程中不会偏移。
44.作为一种可选的实施方式，如图2所示，固定支架包括固定板3和支柱4，多个沿竖直方向间隔设置的固定板3通过支柱4固定连接。
45.具体地，固定支架具有单层或由多个单层叠加而成的多层结构形式，可以根据拧紧力矩的大小选择测量轴力测试件7不同位置处的变形，实现了大范围拧紧力矩下轴向力的高精度测量。
46.作为一种可选的实施方式，固定板3为方形平板结构，其上开设有用于与其它结构配合的螺纹孔。具体地，如图2所示，固定板3用于与其它结构配合，起到固定整个装置的作用。
47.作为一种可选的实施方式，支柱4为柱形结构，多个支柱4的两端均连接于固定板3的边角处。具体地，如图2所示，支柱4共有四组或更多组，位于正方形的固定板3的四个边角处的位置，用于支撑整个测试装置。
48.作为一种可选的实施方式，如图6所示，轴力传递件5为具有阶梯特征的柱形结构，其粗段外径小于外套螺母1的内螺纹，在轴向方向上通过接触面与外套螺母1配合，其细段外径小于阳接头2的内径。其中，轴力传递件5的具体结构是为了便于两端同时与外套螺母1、阳接头2进行螺纹装配，其两端部的形状是分别与对应的外套螺母1的内螺纹、阳接头2的内腔相适配，在此不赘述。
49.作为一种可选的实施方式，如图2所示，轴力测试件7为柱形结构，其表面贴设有用于测量轴向变形的应变片，或使用压力传感器直接获得轴向力数据。轴力测试件7作为待测螺纹件100的替换，通过应变片或压力传感器获取的轴力测试件7的轴向力即就是待测螺纹件100在装配过程中所受到的轴向力。
50.作为一种可选的实施方式，如图4-5所示，固定板3至少为三个，且轴力测试件7的每一同径段的下端在拧紧力矩小于设定值时与相邻的下层固定板3之间具有设定间隙。
51.具体地，在测试大范围的拧紧力矩时，可由单层结构叠加成多层结构，轴力测试件7使用阶梯轴结构，较粗的轴在装置上层，层板间开孔，粗轴和细轴交接的端面与层板间有一定间隙(如图5所示，轴力测试件7的粗轴与层板)，假设轴力测试件的细轴长度为l，截面惯性矩为i，横截面的面积为a，则粗轴端面与层板间的初始间隙d按照下列公式计算。当测量的拧紧力矩较小时，轴力测试件的细轴产生的变形较容易测量，由细轴的变形得到轴向力数据，当拧紧力矩即将超过细轴的承载极限时，粗轴端面与层板接触，细轴层的立柱将与
细轴同时承受轴向载荷，从而避免细轴发生屈曲，此时，轴力测试件的粗轴也能产生易于测量的变形，轴向力的测量数据将由粗轴获得：
52.作为一种可选的实施方式，轴力测试件7包括相互连接、且径向尺寸依次递减的多节柱状体。具体地，给出了阶梯轴结构的轴力测试件7的一种具体结构形式，类似于伸缩式的手机自拍杆，但不同之处在于，每个节柱之间是固定连接的，彼此之间并不会发生轴向伸缩运动。
53.实施例1
54.将该螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，应用于航空液压管接头的测试。对于某型号管接头，外套螺母与阳接头使用mj14*1.5规格的螺纹结构连接，外套螺母内径为12.54mm，阳接头内径为7mm，固定板厚为10mm，支柱使用直径10mm圆柱体，轴力传递件与外套螺母的接触面按照实际结构进行加工，轴力测试件使用直径为5mm的圆柱体，材料为钢，弹性模量为200gpa，将测试装置按照图2进行组装，将整个装置固定于工作台上，沿轴力测试件的轴向贴上应变片，并连接应变传感器，试验时，使用扭矩扳手控制拧紧力矩的大小，通过传感器读取轴力测试件的轴向变形，根据轴力测试件的弹性模量，得到轴向力的大小。
55.通过试验得到，拧紧力矩为18nm、20nm和22nm时，轴力测试件上的轴向力分别为8571n、9524n和10477n，根据拧紧力矩和轴向力的计算公式：
56.t＝kfd；
57.式中，t为拧紧力矩，f为轴向力，d为螺纹公称直径，k为拧紧力矩系数，根据得到的试验数据求出k的值为0.15，由此已得到拧紧力矩和轴向力的关系。
58.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
59.以上仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。

技术特征：
1.一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，包括外套螺母(1)、阳接头(2)、固定支架、轴力传递件(5)、第一滚珠(6)和轴力测试件(7)；其中，所述外套螺母(1)螺纹连接于所述阳接头(2)的第一端，所述阳接头(2)的第二端贯穿于所述固定支架，所述轴力测试件(7)安装于所述固定支架上，所述轴力传递件(5)依次贯穿于所述外套螺母(1)、所述阳接头(2)且通过所述第一滚珠(6)与所述轴力测试件(7)点接触。2.根据权利要求1所述的螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，还包括垫块(8)，所述轴力测试件(7)的一端通过所述垫块(8)与所述固定支架的下端面接触。3.根据权利要求2所述的螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，还包括第二滚珠(9)，所述轴力测试件(7)的一端通过所述第二滚珠(9)与所述垫块(8)点接触。4.根据权利要求1所述的螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，所述固定支架包括固定板(3)和支柱(4)，多个沿竖直方向间隔设置的所述固定板(3)通过所述支柱(4)固定连接。5.根据权利要求4所述的螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，所述固定板(3)为方形平板结构，其上开设有用于与其它结构配合的螺纹孔。6.根据权利要求4所述的螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，所述支柱(4)为柱形结构，多个所述支柱(4)的两端均连接于所述固定板(3)的边角处。7.根据权利要求4所述的螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，所述轴力传递件(5)为具有阶梯特征的柱形结构，其粗段外径小于所述外套螺母(1)的内螺纹，在轴向方向上通过接触面与所述外套螺母(1)配合，其细段外径小于所述阳接头(2)的内径。8.根据权利要求1所述的螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，所述轴力测试件(7)为柱形结构，其表面贴设有用于测量轴向变形的应变片，或使用压力传感器直接获得轴向力数据。9.根据权利要求4所述的螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，当所述轴力测试件(7)为阶梯轴结构时，所述固定板(3)至少为三个，且所述轴力测试件(7)的每一同径段的下端在拧紧力矩小于设定值时与相邻的下层固定板(3)之间具有设定间隙。10.根据权利要求9所述的螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置，其特征在于，所述轴力测试件(7)包括相互连接、且径向尺寸依次递减的多节柱状体。

技术总结
本发明涉及机械装配技术领域，具体涉及一种螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置。其包括外套螺母、阳接头、固定支架、轴力传递件、第一滚珠和轴力测试件；外套螺母螺纹连接于阳接头的第一端，阳接头的第二端贯穿于固定支架，轴力测试件安装于固定支架上，轴力传递件依次贯穿于外套螺母、阳接头且通过第一滚珠与轴力测试件点接触。该螺纹结构拧紧力矩与轴向力的测试装置的目的是解决复杂螺纹结构的拧紧力矩-轴向力测量难度大的问题。轴向力测量难度大的问题。轴向力测量难度大的问题。


技术研发人员：王欣 邓瑛 郑远泊 张荣霞 吴为 曾元松
受保护的技术使用者：中国航空制造技术研究院
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/14