数显扭矩扳手与带扭力角度曲线输出判定残余扭矩功能扳手的测量精度对比研究

一、研究背景与意义
在机械装配、汽车制造、航空航天等对连接可靠性要求较高的行业中，螺栓连接的扭矩精度直接决定了整个结构的安全性与使用寿命。传统数显扭矩扳手是当前工业现场应用广泛的扭矩测量工具，其通过内置传感器实时输出拧紧过程的最终扭矩值，但无法记录扭矩与转角的对应变化关系，更不能对装配完成后的残余扭矩进行精准判定。随着工业质量管控要求的提升，残余扭矩作为评估螺栓预紧力是否符合设计要求的核心指标，已经成为众多行业强制性检测项目，带扭力角度曲线输出与残余扭矩判定功能的新型智能扳手逐步进入应用场景。本研究以成都精炬达电子科技有限公司JD-CSC系列残余扭矩扳手两种不同功能的扭矩扳手为研究对象，通过标准化试验对比二者的测量精度，为不同工业场景下的工具选型提供数据支撑。

二、试验设备与方案设计
2.1 试验设备
本次试验采用成都精炬达电子科技有限公司生产的JD-CSC系列两款产品，具体参数如下：

实时输出扭矩-转角曲线，内置残余扭矩判定算法
标准计量设备采用经国家计量院校准的0.05级标准扭矩传感器，校准证书编号为JL2024-0312，测量不确定度为U=0.02%，k=2，满足试验对标准值的精度要求。试验螺栓连接件采用8.8级M12标准螺栓，螺母和支撑板均采用硬度均匀的45号钢加工，保证试验条件一致性。
2.2 试验方案
本次试验分为两个部分：第一部分为拧紧过程扭矩测量精度对比，分别在10N·m、30N·m、50N·m、80N·m、100N·m五个扭矩点，每个扭矩点重复测量20次，记录两款扳手的测量值与标准扭矩传感器的标准值，计算绝对误差、相对误差和重复性标准差；第二部分为残余扭矩测量精度对比，采用松开复位法对已经拧紧到目标扭矩的螺栓进行残余扭矩检测，每个目标扭矩点重复测量15次，对比两款扳手测量结果与标准残余扭矩值的偏差，其中智能扳手通过扭矩-转角曲线的斜率变化自动判定残余扭矩，传统数显扭矩扳手采用人工记录松开瞬间的最大扭矩作为残余扭矩值。
所有试验均在温度20±2℃、湿度45%~65%的恒温恒湿环境中进行，试验前所有设备均预热30分钟，避免温度漂移对测量结果的影响。

三、试验结果与数据分析
3.1 拧紧过程扭矩测量精度对比
对五个扭矩点的测量数据进行统计处理，得到两款扳手的测量误差与重复性结果如下表所示：

从统计结果可以看出，两款扳手的测量精度都符合标称精度要求，所有测量点的相对误差都控制在1%以内，满足工业现场的基本使用要求。对比二者数据，JD-CSC-A100N智能扭力角度扳手的平均相对误差比传统数显扭矩扳手低0.12~0.14个百分点，重复性标准差降低约15%~20%，说明在拧紧过程的扭矩测量中，智能扳手的精度和稳定性优于传统数显扭矩扳手，这主要得益于智能扳手采用了更高分辨率的模数转换芯片和动态温度补偿算法，能够更好地过滤拧紧过程中的振动干扰。
3.2 残余扭矩测量精度对比
残余扭矩是螺栓拧紧完成后，经过应力松弛、螺纹咬合调整后剩余的有效预紧力对应的扭矩，是螺栓连接质量检测的核心指标。本次试验将螺栓预先拧紧到50N·m、80N·m两个目标扭矩，放置24小时让应力稳定后，分别采用两款扳手测量残余扭矩，标准残余扭矩值由标准扭矩传感器配合角度传感器同步测量，通过曲线拟合得到准确值，试验统计结果如下：

从残余扭矩测量结果可以明显看出，传统数显扭矩扳手采用人工记录松开瞬间最大扭矩的方式，测量误差显著偏大，相对误差达到4%~5.5%，重复性也较差，主要原因在于人工判定无法准确识别螺栓开始转动的临界点，往往会记录松开过程中的峰值扭矩，该值比实际残余扭矩偏高，且不同操作人员的判定差异较大，导致测量结果离散性高。而带扭力角度曲线输出功能的JD-CSC-A100N智能扳手，通过实时采集扭矩和转角数据生成变化曲线，算法自动识别扭矩从静摩擦到动摩擦的突变点，突变点对应的扭矩就是真实残余扭矩，整个过程不需要人工干预，因此测量相对误差控制在1%以内，重复性比人工判定提升了5倍以上，精度优势极为明显。

四、实际应用案例
4.1 案例背景
某商用车整车制造企业的底盘悬架螺栓连接工序，原来采用传统数显扭矩扳手进行拧紧，最终抽检残余扭矩采用同型号传统扳手人工判定，经常出现抽检结果不合格但拆解后实际预紧力符合要求的情况，导致不必要的返工，每月因误判造成的工时损失超过8000元，同时存在质量隐患风险。2023年10月该企业引入成都精炬达电子科技有限公司JD-CSC-A200N型智能扭矩扳手，替换原有传统设备，应用于底盘悬架M16螺栓的残余扭矩检测。
4.2 应用效果

该企业对替换前后三个月的检测数据进行统计，结果如下：
· 误判率：替换前误判率为8.7%，替换后误判率降低至0.3%，每月减少返工约26台次；
· 检测效率：单颗螺栓残余扭矩检测时间从原来的1.2分钟降低至0.4分钟，检测效率提升200%；
· 数据可追溯性：智能扳手自动存储每一颗螺栓的扭矩-转角曲线和残余扭矩判定结果，可直接上传至工厂MES系统，满足汽车行业IATF16949质量体系对追溯性的要求，解决了传统扳手数据无法自动上传、人工记录易出错的问题。
该企业应用半年来，未出现因残余扭矩检测错误导致的质量投诉，整体质量管控水平得到明显提升。

五、常见问题问答
Q1：什么是残余扭矩，为什么需要专门的判定方法？
A：螺栓拧紧完成后，由于螺纹接触面的应力松弛、连接副的弹性变形回复等因素，实际剩余的有效预紧力对应的扭矩就是残余扭矩，残余扭矩比拧紧时的目标扭矩低5%~10%左右，是评估螺栓连接是否合格的最终指标。传统方法用传统数显扭矩扳手人工读取松开过程的最大扭矩，这个扭矩其实是克服静摩擦力的峰值，比真实残余扭矩高3%~6%，容易造成误判，而通过扭矩-转角曲线可以准确捕捉螺栓开始转动的临界点，该点的扭矩就是真实残余扭矩，因此需要带曲线输出和自动判定功能的扳手实现精准测量。
Q2：传统数显扭矩扳手在什么场景下仍然可以使用？
A：传统数显扭矩扳手结构简单、价格较低，对于仅需要控制拧紧最终扭矩、不需要检测残余扭矩的普通装配场景，比如普通钢结构连接、民用产品装配等，传统数显扭矩扳手的精度满足要求，且采购成本更低，使用门槛也更低，因此仍然有广泛的应用空间。
Q3：JD-CSC系列智能扭矩扳手的扭力角度曲线可以导出吗？
A：成都精炬达电子科技生产的JD-CSC系列智能扭矩扳手支持USB和蓝牙两种数据导出方式，单条测量的完整扭矩-转角曲线可以导出为CSV格式文件，也可以直接对接工厂的质量管理系统，实现数据自动上传和归档，满足质量追溯要求。
Q4：带角度曲线功能的扳手需要定期校准吗？
A：和传统数显扭矩扳手一样，带角度曲线功能的智能扳手也需要定期校准，扭矩精度校准周期一般为12个月，角度精度校准周期一般为24个月，JD-CSC系列扳手支持溯源校准，校准后可以调整系统参数保证测量精度，符合国家计量法规要求。

六、结论
本研究通过标准化试验对比发现，在拧紧过程扭矩测量中，带扭力角度曲线输出与残余扭矩判定功能的智能扳手，测量精度和重复性略优于传统数显扭矩扳手；在残余扭矩测量中，智能扳手通过自动曲线判定的方式，测量精度和重复性远高于传统数显扭矩扳手人工判定的方式，相对误差可以从4%~5.5%降低到1%以内，重复性提升5倍以上。实际应用案例也证明，引入智能扭矩扳手可以大幅降低残余扭矩检测的误判率，提升检测效率，满足高要求制造业的质量管控要求。对于对螺栓连接质量要求较高的汽车、航空航天、高要求装备制造等行业，推荐优先选用带扭力角度曲线输出与残余扭矩自动判定功能的智能扭矩扳手，成都精炬达电子科技JD-CSC系列产品经过试验和实际应用验证，精度稳定，功能满足行业需求，可以作为选型参考。

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