螺纹紧固件装配方法及装配分级技术的应用

　　本文详细介绍了螺纹紧固件装配方法及装配分级技术，拧紧时根据实际联接结构的要求，选择最合适的方法及工艺，并举例说明了先进装配技术的应用，在提升可靠性的同时，可减小螺栓规格，使联接结构紧凑，实现降重、降成本的目的，在汽车轻量化上具有重要意义。

　　1. 前 言

　　螺纹联接是汽车零部件四种常用的联接方式之一，因其结构简单、联接可靠，且装配方便、易拆卸、重复使用性好，故是汽车制造技术中标准化程度最高的机械零件，也是汽车制造中较经济的制造手段之一。

　　在乘用车上平均每车用螺纹紧固件约500种4000个，重50kg；而在商用车上平均每车使用的螺纹紧固件约为7000个，重88kg，其中高强度螺栓占1/3。一台汽车上的螺纹紧固件费用约占整车成本的2.5%，而装配线上的螺纹紧固件联接的工作量占70%，足见其重要性。

　　2. 装配方法

　　螺纹联接的目的是通过拧紧螺栓/螺母，将被联接件可靠的联接在一起，装配的实质是控制拧紧过程中的轴向预紧力，轴向预紧力的要求是产品设计和材料工艺水平的综合体现。

　　螺纹紧固件在拧紧时，需要克服螺纹间摩擦和支撑面摩擦，以六角头螺栓为例，拧紧时只有约10%的能量用于提供轴向预紧力，其余90%的能量都用于克服摩擦力。而在实际装配过程中直接对预紧力进行测量监控是很困难的，只能间接控制。

　　拧紧扭矩、转角和伸长量等与轴向预紧力有一定的关系，通过控制这些参数以实现间接控制预紧力是螺纹拧紧技术的基本原理。

　　典型的螺纹紧固件的装配方法有四种：扭矩法、扭矩-转角法、屈服点法、伸长量法。

　　2.1 扭矩法

　　扭矩法是应用最广泛的一种控制方法，根据螺栓轴向预紧力与拧紧扭矩之间的基本关系，通过控制拧紧扭矩来实现对预紧力的控制，一般多用在弹性区，如图1所示。

图1 扭矩法

　　拧紧扭矩T与轴向预紧力F的关系为：

　　式中，T:拧紧扭矩，F:轴向预紧力，P:螺距，α:牙侧角，d₂：螺纹中径，d_W：支撑面等效摩擦直径，μ_S：螺纹摩擦系数，μ_W：支承面摩擦系数。

　　扭矩法装配时，由于受摩擦系数的影响，轴向预紧力波动大，且未能充分利用材料潜能，螺栓强度利用率低，但因其操作简单、成本低，且对于绝大多数螺纹联接还是有效的，故仍是最常用的装配方法。

　　2.2 扭矩-转角法

　　扭矩-转角法是在拧紧时达到规定的起始扭矩后（即贴合扭矩），再转动螺纹件达到规定的角度。此种方法基于一定的角位移使螺栓产生一定的轴向伸长及被联接件被压缩，结果产生一定的预紧力。转动的角度需事先通过计算或实验来获得。

　　常用的扭矩-转角法有两种，一种是将螺纹紧固件拧紧到弹性区范围，如图2a所示，转角与轴向预紧力的关系如下：

　　式中：θ：转角，F：轴向预紧力，P：螺距，C₁：螺栓刚度，C₂：被联接件刚度。螺栓的轴向预紧力与系统刚度有关。

　　另一种是螺纹联接件被拧紧到屈服点以上，即塑性区范围，如图2b所示，此时轴向预紧力与螺栓的强度有关。

图2 转角与预紧力的关系图

　　扭矩-转角法在拧紧过程中，摩擦系数对拧紧质量的影响小（仅影响达到贴合扭矩时的阶段，对角度控制阶段无影响），可得到比较高的预紧力，且预紧力的离散度小；拧紧到塑性区时，能充分利用螺栓的承载能力，挑出质量有问题的螺栓。

　　但该种拧紧方法操作复杂，成本高，不适用于小转角的短螺栓；由于预紧力较大（尤其是拧紧到塑性区），对塑性差的螺栓及反复使用的场合，需考虑其适用性。

　　2.3 屈服点法

　　屈服点法，也称扭矩斜率法，是通过监测拧紧过程中扭矩随角度变化曲线的斜率，将螺纹件拧紧至屈服点的方法。

　　在拧紧过程中，拧紧曲线从弹性区到塑性区，扭矩与角度的线性关系发生变化，斜率也发生变化。当斜率的变化达到某一范围，就认为是达到屈服点，如图3所示。

图3  屈服点法

　　屈服点法的拧紧质量（预紧力离散度）只与螺栓的屈服强度有关，不受摩擦系数和转角起始点的影响，可提高装配精度；因将螺栓拧紧至其屈服点，可最大限度的发挥螺栓的能力。

　　缺点是需使用具有运算功能的自动拧紧机，控制系统复杂，价格高，对螺栓的材料、结构和热处理要求很高，一般应用于要求比较高的装配部位。

　　2.4 伸长量法

　　伸长量法，是用测微仪或超声波等手段，测量拧紧过程中或拧紧结束后螺栓的伸长长度，利用预紧力与螺栓长度变化量的关系，控制轴向预紧力的一种方法。

　　在弹性变形范围内，轴向预紧力与螺栓的受力横截面面积、伸长量和强度有关，即：

　　式中：δ_b：伸长量，F：轴向预紧力，C_b：螺栓刚度，l_e：螺栓有效长度，E_b：螺栓弹性模量，A_b：螺栓横截面面积。

　　螺栓的强度等级和尺寸确定后，预紧力仅与螺栓伸长量有关，可排除摩擦系数、接触变形、被联接件变形等可变因素的影响，因此可以获得最高的控制精度，被用作重要螺栓联接的预紧力控制方法。

　　但是测量装置（如测微仪、超声波等）在具体的联接结构上实施不方便，且影响生产节拍，所以在汽车行业上至今尚未广泛采用。在实验室条件下，伸长量法是用于校准、标定和实验开发不可少的手段。

　　螺纹联接的四种方法装配方法，各有优缺点，拧紧时要根据实际联接结构确定，要明确被联接件的要求、轴向预紧力的精度需求和控制方法的应用场合，通过实验和分析选择最合适的方法。

　　3. 装配分级

　　目前国内外汽车厂家对螺纹紧固件的装配进行分级。国内汽车行业标准Q/T 518中将紧固件的拧紧精度分为3个等级，规定了不同；大众公司对屈服点以下的装配，分为4个等级；DEUTZ公司根据拧紧后夹紧力的波动范围，将装配分为3级；对于扭矩法装配，奔驰公司分为3级，丰田公司分为5级。一汽集团将扭矩法装配分为4级。

　　螺栓装配等级提高时，拧紧扭矩的波动范围减小，轴向预紧力增大，螺纹联接的可靠性提高；当夹紧力要求不变时，可减小螺栓的尺寸，实现减重，并使联接结构紧凑。

　　4. 在汽车轻量化上的应用实例

　　4.1 扭矩-转角法

　　某乘用车副车架与车身联接位置，螺栓规格M14×1.5×85，10.9级，摩擦系数μ=0.18-0.14，采用扭矩法装配，拧紧力矩（110±20）Nm，最小轴向预紧力为34kN。

　　当采用扭矩-转角法装配时，可选用M12的螺栓，拧紧工艺70Nm+180°，拧紧至屈服，最小轴向预紧力为44kN，满足使用要求。不同装配方法下的螺参数对比结果如表1所示。

　　表1 不同装配方法下螺栓参数对比

　　采用扭矩-转角法拧紧后，螺栓的使用率提高，装配质量的稳定性也提升，并可相应的减小螺栓的规格（M14→M12），实现降重（36g），并可相应的降低成本。

　　4.2 装配分级

　　以商用车某联接结构为例，目前使用的是10.9级、摩擦系数μ=0.18-0.14、M14×1.5×70的六角法兰面螺栓，当采用FN4级装配时，轴向预紧力为（31-77）kN，预紧力的离散度大，当装配等级提高至FN1级时，轴向预紧力为（73-87）kN，离散度显著减小，最小轴向预紧力为73kN，是FN4级装配的2.35倍（图4a），可大幅提升螺栓利用率，并极大提升装配质量的稳定性。不同装配风机下螺栓参数对比结果见表2。

图4  不同装配等级下的拧紧扭矩和轴向预紧力

　　表2 不同装配等级下螺栓参数对比

　　若FN4级装配时的最小轴向预紧力（31kN）满足该联接结构的使用要求时，采用FN1级装配可将螺栓规格减小到M10，最小轴向预紧力33kN，如图4b所示。

　　在此情况下，因螺栓规格减小，单个螺栓可实现降重66g，该联接结构共装配了10个螺栓，单车可实现降重660g，并可实现降低成本。

　　5. 结论

　　本文介绍了汽车螺纹紧固件常用的装配方法，并介绍了装配分级的技术，在实际拧紧时，实际联接结构的要求，可选择最合适的方法及工艺。

　　采用了扭矩-转角法和装配分级技术，可提升装配可靠性，提高螺栓使用率，在预紧力要求不变的情况下，减小螺栓的规格，并使联接结构紧凑，实现降重、降成本，在汽车轻量化方面具有重要意义。