螺栓装配扭矩控制方法及其应用分析

本文结合笔者实际工作经验，在分析了螺栓装配扭矩、预紧力、转角等要素相互关系的基础上，对整车装配中常用的螺栓拧紧控制方法进行了探讨，对影响拧紧质量的因素进行了分析。

焊接、粘接、铆接和螺栓连接是整车焊接、涂装、总装工艺中最常用的四种连接方式，其中螺栓连接是装配工艺最重要的连接形式。

据笔者根据中国汽车召回网披露的数据统计，近八年期间内，世界各大汽车厂与螺栓相关的召回数量就多达 336076 台之多，所以螺栓连接的重要性不言而喻，螺栓连接的装配质量直接关系到产品的安全性和可靠性，所以螺纹联接件的设计是汽车设计与制造过程中最基础，最重要的工作之一，螺栓装配的可靠性必须得到保证。

螺栓转配本质上是要控制螺栓预紧力，为工件提供合适的夹紧力，然而在实际大批量生产过程中，目前还没有实际可行的方法，准确测量螺栓预紧力，因此我们只能通过控制装配扭矩间接控制螺栓预紧力。

拧紧扭矩、转角、预紧力、摩擦系数的关系

1.1 螺栓预紧扭矩

扭矩-夹紧力关系，ISO16047 已经定义的很清楚：

T=K·d·F （1）

T—拧紧扭矩；

d—螺栓公称直径；

F—螺栓轴向预紧力；

K—扭矩系数。

由上式可见，螺栓预紧扭矩确定后，预紧力与扭矩系数成反比，其中扭矩系数 K 主要受螺纹副间的摩擦系数影响，由于螺纹副之间的摩擦力和螺栓头部和工件支承面之间的摩擦力存在，通常情况下，仅有约 8%-16%的拧紧扭矩转化为实际需要的夹紧力，其余扭矩都消耗在克服摩擦上，分配比例如图 1 所示。

1.2 螺栓转角

螺栓转角本质上就是螺栓的伸长量。在实际的工业生产中，螺栓的伸长量不好度量，角度则容易的多。

螺栓拧紧时，在螺帽下表面贴合以后的整个弹性区域内轴向预紧力与伸长量成正比，而螺栓的转角和螺栓伸长量也存在比例关系，从而螺栓转角和预紧力有如下关系：

F=F0+ΔF=F0+E·p·α/360 （2）

F0—螺栓贴合拧紧力，即初始预紧力，与连接件压缩的弹性模量；

ΔF—螺栓随转角增加的预紧力；

E—螺栓拉伸的弹性模量；

p—螺栓螺距；

α—螺栓转角。

由上式可见，螺栓预紧力为螺栓转角的函数，控制螺栓的转角，也能实现预紧力的控制。

螺栓拧紧过程描述

通常情况下，一个螺栓的拧紧过程可以分为如下四个过程，如图 2 所示。

① 认帽过程，也叫做对刀，目的是将螺栓和螺母的第一牙螺纹匹配好，便于螺栓的顺利拧入，以免产生滑牙等缺陷。这个过程通常要求拧紧工具转速较低，可以设置成低速逆时针转动一定角度，也可以设置成低速顺时针转动一定角度。

② 拧入过程，即贴合拧紧，拧紧工具快速拧紧，直到螺栓头下表面和零件贴合，这个过程螺栓本身还没有受到预紧力的作用，目的是将螺栓快速拧入，减少工作时间，大众汽车对部分螺栓要求拧入扭矩的起始转速不能高于 200r/m。

③ 螺栓弹性拉伸过程，螺栓头部下表面和零件表面接触后，螺栓开始受到预紧力的作用被拉伸，螺栓的拉伸曲线斜率恒定，为线性区域，这个过程通常要求拧紧工具转速比上步骤慢，目的是得到更好的拧紧结果，较高拧紧精度。由于在这个过程中螺栓发生的是弹性形变，螺栓拧松后长度会恢复原始状态。

④ 如果在上一步基础之上，继续对螺栓进行拧紧，在屈服点附近，扭矩随转角上升的斜率逐渐变小，直至超出螺栓本身的屈极限，曲线斜率减小到 0，负值。因为拧紧超过螺栓屈服点之后，螺栓发生的是塑性形变，螺栓被永久拉长，拧松后螺栓长度不会恢复原始长度。

螺栓拧紧常用控制方法

3.1 扭矩控制法

扭矩控制法是利用螺栓在弹性区域内，即扭矩与夹紧力呈线性关系期间，对螺栓施加装配扭矩，从而对零件达到夹紧的效果，如图 3 所示。

根据 VDI 2230，螺栓预紧力 F、拧紧扭矩 T 与摩擦系数及螺纹形状尺寸之间有下列关系：

T=F（0.16*p+0.58*d2μth+（Db/2）*μb） （3）

T—螺栓装配扭矩；

F—螺栓预紧力；

p—表面压力；

d2—螺栓螺纹中径；

μth—螺纹摩擦系数；

Db—有效摩擦直；

μb—端部摩擦系数。

基于上式，不难看出螺栓联接中摩擦系数的变化会对夹紧力产生很大影响。多数主机厂对紧固件表面摩擦系数有严格要求，大众汽车要求必须控制在 0.08-0.16 范围内，引起摩擦系数波动的因素很多，如螺栓表面加工精度，防腐涂层的厚度，润滑剂的使用，装配现场的湿度、温度，螺栓重复使用的次数等。

由以上分析可知，在螺纹基本尺寸及形状确定后，要保证拧紧质量，提高装配扭矩的一致性，减少夹紧力离散性，除了要控制拧紧扭矩之外，紧固件表面的表面摩擦系数必须得到有效控制。

扭矩控制法，螺栓的夹紧应力一般可达材料屈服极限的 50%～65%，也就是螺栓的利用率为 50%～65%，比较低，预紧力的离散为±16%～±35%，比较大。

为了克服上述扭矩法的缺点，对摩擦系数以及螺栓的机械性能进行有效监控，在扭矩控制的基础上，增加了转角监控的功能。在拧紧过程中，当扭矩超过设置的 MS门槛扭矩值时，设备开始测量转角，最终的转角值是从 MS 门槛扭矩到拧紧设备停止时实际转过的角度。

对大量角度样本进行±3α数理统计，可以得到一个角度监控窗口，当最终拧紧角度超出窗口时，拧紧设备会亮红灯报错，从而可以有效的监控螺栓摩擦系数的波动，以及螺栓机械性能的波动。

扭矩法是整车装配工艺中最常用的安装方法，便于理解，操作简便，易于掌握；对拧紧工具成本要求低；但是受摩擦系数的影响，预紧力精度低，离散性大；同时螺栓的利用率低，在整车装配中主要应用在内外饰零件装配上。

3.2 角度控制法

角度控制法通常可以分为屈服点以下控制法，和过屈服点控制法，主要通过将螺栓充分拉长，直至在塑性变形区域，以实现充分利用材料强度，达到高精度控制螺栓预紧力的目的，如图 4 所示。

角度控制法，本质上是控制螺栓的伸长量，在螺栓贴合以后的整个弹性拧紧范围内，轴向预紧力与伸长量成正比，控制伸长量就是控制轴向预紧力，而伸长量与转角成正比。

工程应用中，MS门槛扭矩，用以消除螺栓起始位置的影响，一般选择目标扭矩的 1/3~1/2 作为起始扭矩。拧紧工具从转角起始扭矩开始计算转角，一直达到要求的角度停止。

同理，为了监控螺栓的机械性能波动，摩擦系数的变化，可以对最终拧紧扭矩进行监控，同时记录最终的扭矩，对大量扭矩样本进行±3α 数理统计，可以得到一个扭矩监控窗口，当最终拧紧扭矩超出窗口时，拧紧设备会亮红灯报错，如果扭矩过大，显然螺栓材料的抗拉强度太高，扭矩太小，显然螺栓材料抗拉强度太低，从而达到监控螺纹机械性能的目的。

角度控制法可以明显提高轴向夹紧力的控制精度，夹紧力离散控制在±10%~±25%，同时螺栓的利用率可以达到 65%~100%，既提高了材料的利用率，也提高了预紧力的一致性。

角度控制法使用范围广，可以在弹性区和塑性区两个区域内进行安装；此方法不受摩擦系数的影响，预紧力精度高，同时螺栓的利用率高，主要应用在整车底盘零件装配上，但是此方法对拧紧工具成本要求高，同时对螺栓加工质量要求高。

3.3 屈服点控制法

屈服点控制拧紧的原理是：只要螺栓工作在弹性区域内，扭矩变化率（ΔT/Δα）就保持不变，超出弹性区域后变化率会下降。当扭矩变化率下降到符合屈服条件时，拧紧结束。拧紧系统从转角起始扭矩开始，测量拧紧轴的转角和扭矩。

经过若干度后，计算出参考扭矩变化率。然后对后续每一角度都进行实时计算，并和参考扭矩变化率作比较。当扭矩变化率低于参考扭矩变化率的一定比例时系统停止，通常情况下是 50%，这就是“屈服点”。

屈服点控制不受扭矩法的摩擦系数和转角法的起始转角的影响；预紧力精度高、螺栓的利用率高；对螺栓产品质量的要求也比较高；在整车装配中主要应用在发动机零件装配上；此方法对拧紧工具成本要求高。

总 结

以上所述的三种装配拧紧控制方法，各自的优缺点显而易见，目前汽车行业会整车的轻量化，整车的排放，以及对螺栓连接的可靠性，不断提出更高的要求，所以作为我们基层的工程技术人员，就必须不断深入研究螺栓装配的相关方法及特点，才能满足行业发展的需求，笔者在今后的工作中还会继续深入研究螺栓装配及相关领域的专业知识，不断提高公司产品品质。

来源：GAF螺丝君