软连接和硬连接对残余扭力扳手曲线判定残余扭矩值测量结果的影响分析

软连接和硬连接对残余扭力扳手曲线判定残余扭矩值测量结果的影响分析

一、研究背景与意义

在螺栓连接装配工艺中，扭矩控制是保障连接可靠性的核心环节，而残余扭矩作为螺栓连接最终预紧力的直观体现，其测量准确性直接决定了装配质量判定的可靠性。残余扭矩测量通常采用扭矩法反拧或松开螺栓，通过记录扭矩-转角曲线，从曲线特征中提取残余扭矩值，当前工业领域常用的残余扭力测量设备普遍采用传感器直连被测螺栓的结构，但不同连接刚度（软连接、硬连接）条件下，传感器与被测螺栓的连接特性会直接影响扭矩曲线的形态，进而干扰残余扭矩值的判定结果。

成都精炬达电子科技有限公司推出的JD-CSC系列残余扭力扳手，集成了高精度扭矩传感器与转角采集模块，可实时输出扭矩-转角曲线并自动判定残余扭矩值。本次研究针对不同连接刚度场景，分析软连接、硬连接两种典型工况对曲线特征与测量结果的影响，明确不同工况下的测量误差来源，为JD-CSC系列残余扭力扳手的现场应用提供参数修正依据与操作指导。

二、基本概念与试验设计

2.1 核心概念定义

硬连接：指被连接件刚度较大，螺栓拧紧后连接系统总变形量较小，通常满足螺栓扭转3度以内达到目标扭矩的连接场景，如铸铁缸体与钢制缸盖的螺栓连接、钢结构厚板连接等，本次试验中定义连接刚度大于100kN/mm为硬连接。

软连接：指被连接件刚度较小，连接系统总变形量较大，通常螺栓扭转超过10度才能达到目标扭矩的连接场景，如铝合金薄板连接、带橡胶密封垫的法兰连接、塑料构件连接等，本次试验中定义连接刚度小于20kN/mm为软连接。

残余扭矩：指螺栓拧紧完成并经过应力松弛后，螺栓螺纹副与支撑面剩余的反作用扭矩，本次试验采用当前行业通用的“一步反松法"测量，即反向旋转螺栓，记录扭矩上升到峰值再下降过程中的峰值扭矩作为残余扭矩判定值。

2.2 试验设备与方案

本次试验采用设备如下：

测试主体：成都精炬达JD-CSC-200数字式残余扭力扳手，测量精度±0.5%FS，转角分辨率0.1度；

标准扭矩发生器：静态标准扭矩机，扩展不确定度U=0.1%，k=2；

硬连接试验台：45号钢制厚板，总厚度100mm，连接刚度122kN/mm；

软连接试验台：带丁腈橡胶密封垫的铝合金法兰，总厚度30mm，密封垫厚度5mm，连接刚度16kN/mm；

被测螺栓：M16 8.8级六角头螺栓，表面磷化处理，扭矩系数稳定在0.18~0.19之间。

试验方案设计：分别在硬连接、软连接试验台上，将螺栓预紧到目标扭矩100N·m、150N·m、200N·m三个档位，每个档位重复测量10次，待螺栓应力稳定2小时后，使用JD-CSC系列残余扭力扳手采用一步反松法测量残余扭矩，同步记录扭矩-转角曲线，对比不同连接条件下曲线特征与测量结果的差异。

三、不同连接条件下的扭矩-转角曲线特征对比

3.1 硬连接条件下的曲线特征

硬连接试验中，JD-CSC系列采集到的典型扭矩-转角曲线如图1（示意）所示，曲线特征可分为三个阶段：

1.间隙消除阶段：反向旋转初始阶段，扭矩随转角近似线性快速上升，该阶段转角范围通常在0~1度之间，曲线斜率大，上升速度快；

2.静摩擦突破阶段：扭矩快速上升到峰值，峰值点清晰尖锐，峰值出现时对应的转角通常在1~2度之间，峰值过后扭矩快速下降，下降斜率与上升斜率基本一致；

3.松动移动阶段：峰值过后扭矩维持在较低水平，随转角增加无明显波动。

硬连接条件下，曲线峰值点清晰，JD-CSC系列内置算法可以准确定位峰值位置，不会出现峰值模糊或多峰干扰的问题。本次三个目标扭矩档位的硬连接测量结果统计如表1所示：

注：参考值为螺栓超声预紧力换算得到的理论残余扭矩值。

3.2 软连接条件下的曲线特征

软连接试验中，采集到的典型曲线特征与硬连接存在明显差异，可分为四个阶段：

1.弹性变形释放阶段：反向旋转初始阶段，扭矩随转角上升但斜率远小于硬连接，曲线平缓上升，该阶段转角范围通常在3~5度之间，这是因为软连接系统存在大量弹性变形，反向旋转初期变形逐步释放，螺纹副静摩擦力未被突破；

2.摩擦突破过渡阶段：扭矩上升速率逐步增加，但不会出现硬连接中尖锐的峰值点，而是形成一个圆弧状的峰值平台，平台宽度通常在2~3度之间，部分工况下会出现多个小幅度波动的次峰；

3.峰值下降阶段：经过峰值平台后，扭矩缓慢下降，下降斜率远小于硬连接；

4.松动移动阶段：扭矩逐步降低到稳定低水平。

软连接条件下，由于峰值平台的存在，内置算法如果直接采用峰值判定，会出现判定位置偏差，本次三个目标扭矩档位的软连接测量结果统计如表2所示：

四、影响机理与误差分析

4.1 刚度差异对曲线形成过程的影响机理

残余扭矩测量的本质是克服螺纹副与支撑面的静摩擦力，使螺栓产生反向转动，此时扭矩传感器测得的最大扭矩就是克服残余预紧力对应的静摩擦力矩，也就是残余扭矩值。在硬连接条件下，连接系统总弹性变形量小，螺栓与被连接件之间相对位移很小，当施加的反向扭矩超过静摩擦力矩后，螺栓立即发生转动，静摩擦力转变为动摩擦力，扭矩迅速下降，因此曲线呈现出尖锐清晰的峰值，峰值位置就是静摩擦力矩的真实对应点。

在软连接条件下，被连接件自身弹性变形量大，当反向扭矩逐步增加时，被连接件的弹性变形首先被释放，螺栓相对于螺母的扭转位移被连接系统的弹性变形抵消，此时尽管反向扭矩已经超过了静摩擦力矩，但螺栓并未产生整体的反向转动，扭矩会继续上升直到弹性变形释放完成，螺栓才开始整体转动，扭矩随后下降，因此会形成平缓的峰值平台，实际峰值点比真实残余扭矩对应的点更高，直接取峰值会导致测量结果偏大。

4.2 测量误差统计分析

从本次试验结果可以看出：

硬连接条件下，JD-CSC系列残余扭力扳手的测量偏差小于1.5%，标准偏差小于1.2N·m，测量准确性与重复性都满足工业测量要求，误差来源主要是传感器自身的测量误差与螺栓表面摩擦系数的微小波动，对测量结果影响可忽略。

软连接条件下，未修正的测量结果偏差在6.9%~7.8%之间，整体呈现正偏差，标准偏差是硬连接的3~4倍，重复性明显下降，这是因为不同螺栓的预紧变形量存在差异，峰值平台宽度也会发生变化，算法对峰值位置的判定误差变大。

五、成都精炬达JD-CSC系列的修正方案与应用案例

5.1 针对不同连接条件的修正方案

针对软连接带来的测量偏差，成都精炬达JD-CSC系列残余扭力扳手在V2.0及以上版本的算法中增加了连接刚度识别与修正功能：

1.自动识别：通过采集初始0~5度转角范围内的扭矩上升斜率，自动判断当前连接是软连接还是硬连接，斜率大于30N·m/度判定为硬连接，斜率小于10N·m/度判定为软连接，中间值为中软连接，对应不同修正系数；

2.曲线特征修正：对于软连接，算法不再直接取曲线最大扭矩作为残余扭矩值，而是取峰值平台起点位置对应的扭矩作为测量结果，该位置对应静摩擦力矩刚刚被突破的点，更接近真实残余扭矩值；

3.系数修正：根据大量试验数据标定，软连接修正系数设置为0.93，修正后测量偏差可控制在2%以内。

5.2 现场应用案例

案例背景：某商用车发动机厂，气缸盖采用铝合金材质，带橡胶垫片密封，属于典型软连接工况，需要对缸盖螺栓残余扭矩进行抽检，原采用普通残余扭力扳手测量，测量结果偏差大，无法准确判断预紧质量。

测试过程：采用成都精炬达JD-CSC-500残余扭力扳手，对已经预紧到280N·m目标扭矩的缸盖螺栓进行抽检，共抽取20颗螺栓，分别采用未修正模式和修正模式测量，同时采用超声法测量预紧力换算得到参考残余扭矩值。

测试结果：

未修正模式：平均测量值298.7N·m，平均偏差+6.7%，标准偏差6.2N·m；

修正模式：平均测量值282.1N·m，平均偏差+0.75%，标准偏差2.3N·m；

超声参考值：平均残余扭矩280.3N·m。

案例结论：JD-CSC系列的软连接修正方案可以有效降低软连接工况下的测量偏差，提升测量重复性，满足现场抽检的精度要求，目前该客户已经批量采购12台JD-CSC系列残余扭力扳手用于生产线质量控制。

第二个案例：某重型钢结构制造厂，钢结构连接板采用厚度40mm的Q355钢板，属于典型硬连接工况，采用JD-CSC系列测量高强度螺栓残余扭矩，共测量30根M24 10.9级螺栓，目标预紧扭矩600N·m，测量平均残余扭矩572N·m，与超声法参考值偏差0.6%，标准偏差3.1N·m，测量精度满足国家标准要求，得到客户认可。

六、常见问题问答

Q1：如何现场区分我面对的是软连接还是硬连接，需要手动设置参数吗？

A：成都精炬达JD-CSC系列残余扭力扳手支持自动识别连接刚度，不需要手动设置。测量过程中，设备会自动采集初始阶段的扭矩斜率，判定连接类型并自动启用对应修正算法，如果用户需要手动指定连接类型，也可以在设备设置菜单中手动选择软连接/硬连接模式，手动模式优先级高于自动识别。

Q2：软连接测量结果一定比硬连接偏差大吗？有没有办法消除误差？

A：在没有修正的情况下，软连接测量结果普遍存在6%~8%的正偏差，误差来源于连接系统弹性变形对曲线的影响，是物理特性带来的系统误差，不是设备精度问题。通过JD-CSC系列的修正算法，可以将偏差降低到2%以内，满足绝大多数工业场景的测量要求，由于不同软连接的刚度存在差异，消除误差需要针对具体工况标定修正系数，JD-CSC支持用户自定义修正系数，满足特殊高精度场景的需求。

Q3：JD-CSC系列残余扭力扳手可以适配多大范围的扭矩测量？

A：JD-CSC系列目前覆盖从10N·m到1000N·m的测量范围，包含可换头和固定头两种结构，可适配不同规格的螺栓测量需求，对于超过1000N·m的大扭矩测量，也支持定制开发。

Q4：一步反松法和两步法测量，软连接和硬连接的影响有区别吗？

A：两步法测量残余扭矩的原理是先正向拧动到间隙消除，再反向拧动读取峰值，软连接对两步法的影响小于一步法，但仍然会存在峰值模糊的问题，JD-CSC系列的修正算法同时支持一步法和两步法测量，针对两种方法都可以实现连接刚度自动修正。

七、结论

软连接和硬连接的刚度差异会显著影响残余扭力测量过程中扭矩-转角曲线的形态，硬连接条件下曲线峰值清晰，测量准确性与重复性好，不需要额外修正即可满足精度要求；软连接条件下曲线会出现平缓的峰值平台，直接取峰值会导致测量结果偏大，重复性下降，系统偏差通常在7%左右。成都精炬达JD-CSC系列残余扭力扳手通过内置自动识别与修正算法，可有效降低软连接工况下的测量偏差，修正后的偏差可控制在2%以内，满足不同工业场景的测量需求，现场应用案例验证了该方案的可靠性与准确性。

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