螺紋緊固件裝配方法及裝配分級技術的應用

　　本文詳細介紹了螺紋緊固件裝配方法及裝配分級技術，擰緊時根據(jù)實際聯(lián)接結構的要求，選擇最合適的方法及工藝，并舉例說明了先進裝配技術的應用，在提升可靠性的同時，可減小螺栓規(guī)格，使聯(lián)接結構緊湊，實現(xiàn)降重、降成本的目的，在汽車輕量化上具有重要意義。

　　1. 前 言

　　螺紋聯(lián)接是汽車零部件四種常用的聯(lián)接方式之一，因其結構簡單、聯(lián)接可靠，且裝配方便、易拆卸、重復使用性好，故是汽車制造技術中標準化程度最高的機械零件，也是汽車制造中較經(jīng)濟的制造手段之一。

　　在乘用車上平均每車用螺紋緊固件約500種4000個，重50kg；而在商用車上平均每車使用的螺紋緊固件約為7000個，重88kg，其中高強度螺栓占1/3。一臺汽車上的螺紋緊固件費用約占整車成本的2.5%，而裝配線上的螺紋緊固件聯(lián)接的工作量占70%，足見其重要性。

　　2. 裝配方法

　　螺紋聯(lián)接的目的是通過擰緊螺栓/螺母，將被聯(lián)接件可靠的聯(lián)接在一起，裝配的實質(zhì)是控制擰緊過程中的軸向預緊力，軸向預緊力的要求是產(chǎn)品設計和材料工藝水平的綜合體現(xiàn)。

　　螺紋緊固件在擰緊時，需要克服螺紋間摩擦和支撐面摩擦，以六角頭螺栓為例，擰緊時只有約10%的能量用于提供軸向預緊力，其余90%的能量都用于克服摩擦力。而在實際裝配過程中直接對預緊力進行測量監(jiān)控是很困難的，只能間接控制。

　　擰緊扭矩、轉(zhuǎn)角和伸長量等與軸向預緊力有一定的關系，通過控制這些參數(shù)以實現(xiàn)間接控制預緊力是螺紋擰緊技術的基本原理。

　　典型的螺紋緊固件的裝配方法有四種：扭矩法、扭矩-轉(zhuǎn)角法、屈服點法、伸長量法。

　　2.1 扭矩法

　　扭矩法是應用最廣泛的一種控制方法，根據(jù)螺栓軸向預緊力與擰緊扭矩之間的基本關系，通過控制擰緊扭矩來實現(xiàn)對預緊力的控制，一般多用在彈性區(qū)，如圖1所示。

圖1 扭矩法

　　擰緊扭矩T與軸向預緊力F的關系為：

　　式中，T:擰緊扭矩，F(xiàn):軸向預緊力，P:螺距，α:牙側角，d₂：螺紋中徑，d_W：支撐面等效摩擦直徑，μ_S：螺紋摩擦系數(shù)，μ_W：支承面摩擦系數(shù)。

　　扭矩法裝配時，由于受摩擦系數(shù)的影響，軸向預緊力波動大，且未能充分利用材料潛能，螺栓強度利用率低，但因其操作簡單、成本低，且對于絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接還是有效的，故仍是最常用的裝配方法。

　　2.2 扭矩-轉(zhuǎn)角法

　　扭矩-轉(zhuǎn)角法是在擰緊時達到規(guī)定的起始扭矩后（即貼合扭矩），再轉(zhuǎn)動螺紋件達到規(guī)定的角度。此種方法基于一定的角位移使螺栓產(chǎn)生一定的軸向伸長及被聯(lián)接件被壓縮，結果產(chǎn)生一定的預緊力。轉(zhuǎn)動的角度需事先通過計算或?qū)嶒瀬慝@得。

　　常用的扭矩-轉(zhuǎn)角法有兩種，一種是將螺紋緊固件擰緊到彈性區(qū)范圍，如圖2a所示，轉(zhuǎn)角與軸向預緊力的關系如下：

　　式中：θ：轉(zhuǎn)角，F(xiàn)：軸向預緊力，P：螺距，C₁：螺栓剛度，C₂：被聯(lián)接件剛度。螺栓的軸向預緊力與系統(tǒng)剛度有關。

　　另一種是螺紋聯(lián)接件被擰緊到屈服點以上，即塑性區(qū)范圍，如圖2b所示，此時軸向預緊力與螺栓的強度有關。

圖2 轉(zhuǎn)角與預緊力的關系圖

　　扭矩-轉(zhuǎn)角法在擰緊過程中，摩擦系數(shù)對擰緊質(zhì)量的影響小（僅影響達到貼合扭矩時的階段，對角度控制階段無影響），可得到比較高的預緊力，且預緊力的離散度?。粩Q緊到塑性區(qū)時，能充分利用螺栓的承載能力，挑出質(zhì)量有問題的螺栓。

　　但該種擰緊方法操作復雜，成本高，不適用于小轉(zhuǎn)角的短螺栓；由于預緊力較大（尤其是擰緊到塑性區(qū)），對塑性差的螺栓及反復使用的場合，需考慮其適用性。

　　2.3 屈服點法

　　屈服點法，也稱扭矩斜率法，是通過監(jiān)測擰緊過程中扭矩隨角度變化曲線的斜率，將螺紋件擰緊至屈服點的方法。

　　在擰緊過程中，擰緊曲線從彈性區(qū)到塑性區(qū)，扭矩與角度的線性關系發(fā)生變化，斜率也發(fā)生變化。當斜率的變化達到某一范圍，就認為是達到屈服點，如圖3所示。

圖3  屈服點法

　　屈服點法的擰緊質(zhì)量（預緊力離散度）只與螺栓的屈服強度有關，不受摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)角起始點的影響，可提高裝配精度；因?qū)⒙菟〝Q緊至其屈服點，可最大限度的發(fā)揮螺栓的能力。

　　缺點是需使用具有運算功能的自動擰緊機，控制系統(tǒng)復雜，價格高，對螺栓的材料、結構和熱處理要求很高，一般應用于要求比較高的裝配部位。

　　2.4 伸長量法

　　伸長量法，是用測微儀或超聲波等手段，測量擰緊過程中或擰緊結束后螺栓的伸長長度，利用預緊力與螺栓長度變化量的關系，控制軸向預緊力的一種方法。

　　在彈性變形范圍內(nèi)，軸向預緊力與螺栓的受力橫截面面積、伸長量和強度有關，即：

　　式中：δ_b：伸長量，F(xiàn)：軸向預緊力，C_b：螺栓剛度，l_e：螺栓有效長度，E_b：螺栓彈性模量，A_b：螺栓橫截面面積。

　　螺栓的強度等級和尺寸確定后，預緊力僅與螺栓伸長量有關，可排除摩擦系數(shù)、接觸變形、被聯(lián)接件變形等可變因素的影響，因此可以獲得最高的控制精度，被用作重要螺栓聯(lián)接的預緊力控制方法。

　　但是測量裝置（如測微儀、超聲波等）在具體的聯(lián)接結構上實施不方便，且影響生產(chǎn)節(jié)拍，所以在汽車行業(yè)上至今尚未廣泛采用。在實驗室條件下，伸長量法是用于校準、標定和實驗開發(fā)不可少的手段。

　　螺紋聯(lián)接的四種方法裝配方法，各有優(yōu)缺點，擰緊時要根據(jù)實際聯(lián)接結構確定，要明確被聯(lián)接件的要求、軸向預緊力的精度需求和控制方法的應用場合，通過實驗和分析選擇最合適的方法。

　　3. 裝配分級

　　目前國內(nèi)外汽車廠家對螺紋緊固件的裝配進行分級。國內(nèi)汽車行業(yè)標準Q/T 518中將緊固件的擰緊精度分為3個等級，規(guī)定了不同；大眾公司對屈服點以下的裝配，分為4個等級；DEUTZ公司根據(jù)擰緊后夾緊力的波動范圍，將裝配分為3級；對于扭矩法裝配，奔馳公司分為3級，豐田公司分為5級。一汽集團將扭矩法裝配分為4級。

　　螺栓裝配等級提高時，擰緊扭矩的波動范圍減小，軸向預緊力增大，螺紋聯(lián)接的可靠性提高；當夾緊力要求不變時，可減小螺栓的尺寸，實現(xiàn)減重，并使聯(lián)接結構緊湊。

　　4. 在汽車輕量化上的應用實例

　　4.1 扭矩-轉(zhuǎn)角法

　　某乘用車副車架與車身聯(lián)接位置，螺栓規(guī)格M14×1.5×85，10.9級，摩擦系數(shù)μ=0.18-0.14，采用扭矩法裝配，擰緊力矩（110±20）Nm，最小軸向預緊力為34kN。

　　當采用扭矩-轉(zhuǎn)角法裝配時，可選用M12的螺栓，擰緊工藝70Nm+180°，擰緊至屈服，最小軸向預緊力為44kN，滿足使用要求。不同裝配方法下的螺參數(shù)對比結果如表1所示。

　　表1 不同裝配方法下螺栓參數(shù)對比

　　采用扭矩-轉(zhuǎn)角法擰緊后，螺栓的使用率提高，裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性也提升，并可相應的減小螺栓的規(guī)格（M14→M12），實現(xiàn)降重（36g），并可相應的降低成本。

　　4.2 裝配分級

　　以商用車某聯(lián)接結構為例，目前使用的是10.9級、摩擦系數(shù)μ=0.18-0.14、M14×1.5×70的六角法蘭面螺栓，當采用FN4級裝配時，軸向預緊力為（31-77）kN，預緊力的離散度大，當裝配等級提高至FN1級時，軸向預緊力為（73-87）kN，離散度顯著減小，最小軸向預緊力為73kN，是FN4級裝配的2.35倍（圖4a），可大幅提升螺栓利用率，并極大提升裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性。不同裝配風機下螺栓參數(shù)對比結果見表2。

圖4  不同裝配等級下的擰緊扭矩和軸向預緊力

　　表2 不同裝配等級下螺栓參數(shù)對比

　　若FN4級裝配時的最小軸向預緊力（31kN）滿足該聯(lián)接結構的使用要求時，采用FN1級裝配可將螺栓規(guī)格減小到M10，最小軸向預緊力33kN，如圖4b所示。

　　在此情況下，因螺栓規(guī)格減小，單個螺栓可實現(xiàn)降重66g，該聯(lián)接結構共裝配了10個螺栓，單車可實現(xiàn)降重660g，并可實現(xiàn)降低成本。

　　5. 結論

　　本文介紹了汽車螺紋緊固件常用的裝配方法，并介紹了裝配分級的技術，在實際擰緊時，實際聯(lián)接結構的要求，可選擇最合適的方法及工藝。

　　采用了扭矩-轉(zhuǎn)角法和裝配分級技術，可提升裝配可靠性，提高螺栓使用率，在預緊力要求不變的情況下，減小螺栓的規(guī)格，并使聯(lián)接結構緊湊，實現(xiàn)降重、降成本，在汽車輕量化方面具有重要意義。