「汽车拧紧装配和工艺保证专栏」拧紧的本质是什么？

螺丝君今天要和大家分享的【专栏】是：汽车拧紧装配和工艺保证，第4期：拧紧的本质是什么？

很多螺丝君，每天都在和拧紧打交道，那么，大家有没有思考过：拧紧的本质是什么呢？

答案，可能有很多，先说一下我的答案：我觉得拧紧的本质就是预紧力！

这个题目有些大，我们不妨从浅显一些的角度，来探索一下，就像剥洋葱一样，让我们由浅入深，揭开层层迷雾。

01

什么是拧紧？我们打开某度百科查一下。

WHAT？！居然是个电影？！拧紧连个词条都不配拥有么？！

换个思路，单独查一下：“拧”字和“紧”字吧。

拧：控制住物体并向里转或向外转；

紧：密切合拢。

拧，是一个动作，紧，是一种状态，通过拧这个动作，使螺纹副密切的合拢。

所以，拧紧的目的，就是要产生使连接件夹紧的预紧力！

那么，预紧力又是如何产生的呢？

我们把螺纹展开来，得到了一条斜线，斜线与水平线的夹角是一种简单机械：螺旋升角。

在扭矩的作用下，螺栓与螺母的螺纹之间发生滑动摩擦。随着螺栓不断旋入，螺帽的部分与被紧固件接触，无法继续旋入。

重头戏来了：贴合后继续施加扭矩，通过螺纹产生的巨大的力会迫使螺栓发生拉伸形变、被紧固件发生压缩形变。

02

可能有点不直观，我们把螺栓想象成一个被拉伸的弹簧，被紧固件想象成一个被压缩的弹簧。

螺栓，是一个刚性的被拉伸的弹簧，

被紧固件，是一个刚性的被压缩的弹簧，

螺栓与被紧固件，可以看成一个被拉伸的弹簧固定在一个被压缩的弹簧之中，

受力和形变情况，如下图：

拧紧完成且不受外力载荷时，螺栓的拉伸力和被紧固件的夹紧力相等，即传说中的预紧力。

我们拧紧想要达到的目标，是使被紧固件夹紧，所以沿螺栓轴向的预紧力就是我们想要的，扭矩只是获取预紧力的途径，并不是我们的目标。

现在常用的拧紧控制方法，主要有两种，一个是扭矩控制法，另一个是定扭矩后再加一个转角即角度控制法（屈服点控制法相比扭矩法和转角法应用面不广，这里暂不讨论）。

这两种方法的主要区别，是什么呢？答案是：预紧力的离散度不同，在大批量生产装配时我们肯定想要离散更小更稳定的夹紧力。

螺栓，在拧紧过程中受摩擦的影响非常大，如果摩擦非常大，那么即使扭矩再大，产生的预紧力也微乎其微，如果摩擦非常小，那只需要很小的扭矩，就能产生非常大的预紧力甚至螺栓直接被拉断。这就是大家都很熟悉的：拧紧摩擦力541原则。

当然，在实际整车装配生产中，螺栓在生产时摩擦系数，是被严格监控在一个很小范围内的，目的就是尽可能减少摩擦系数波动的影响，保证最终拧紧装配时预紧力分布的稳定性。

03

下图，是一些常见汽车厂家对于螺栓摩擦系数的要求。

扭矩法，是很多装配点都在使用拧紧方式，但是，这种拧紧紧方式与扭矩加转角的相比，最终产生的夹紧力受摩擦的影响更大一些。

用扭矩法拧紧螺栓时，在考虑到扭矩控制精度、摩擦系数散差、螺栓强度波动等因素时，预紧力的最大值，通常只能设计在其屈服强度的70%以下，实际预紧力，往往只有螺栓屈服强度的30%至70%，甚至更低。预紧力小，分散度大，必然导致材料的浪费，连接结构可靠性差。

大量研究表明：螺栓的预紧力越大，它的抗松动和抗疲劳性能越好螺栓拧紧至屈服时效果最好。

所以，一般情况下，对预紧力离散度要求很高的载荷，较大的拧紧点优先采用扭矩加转角的方式拧紧。例如，整车装配过程中，底盘部分的零件如前副车架、后桥、发动机等载荷很高的位置会使用转角法。

此时，不仅能最大限度地利用材料强度和减小零件尺寸，同时还能使连接的可靠性得到充分的保证。而其他一些载荷不高的位置如座椅、安全带等会采用扭矩法拧紧。

简单来说：螺栓自身对于预紧力的影响主要有两个因素（实际情况要复杂的多），分别是摩擦系数和强度。转角法在转角阶段，不管摩擦系数是什么，螺栓旋转的角度都是相同的，意味着螺栓拉伸的长度也是相同的，相同拉伸量的前提下，夹紧力就只与螺栓强度强相关了。

以70Nm+180°这个拧紧工艺来举例，凡是后面加角度的都是转角控制法。有人会问：前面明明有个70Nm呀！这不是扭矩么？是的，这是扭矩，但这个扭矩，不是目标值，它是转角阈值。在达到70Nm这个扭矩值后开始计算角度，螺栓继续旋转180°后停止，可以理解为螺栓拧紧70Nm后继续拉伸二分之一螺距的长度。

转角法最终的扭矩值，一般会分布在一个比较宽的范围内，70Nm+180°的扭矩分布一般会在100Nm至200Nm之间。虽然最终扭矩分布宽，但是它的预紧力，分布精度却可以控制在15%至25%之间。消耗的扭矩，不管是100Nm也好还是200Nm也好，作用无非是克服摩擦力驱动螺栓转动进而拉伸，只要转角是固定的，产生预紧力就不会有太大的波动。

04

既然转角法这么优秀，那为什么现在还有大量的拧紧工艺，采用扭矩法呢？

扭矩法的优点还是很多的，比如操作方法简单，需要的工具设备成本低，拧过的螺栓可以重复使用等等。缺点也是显而易见，受螺栓摩擦系数影响较大，预紧力的分散度可达±35%。

转角法的预紧力分散度，可以控制在±15%到±25%之间，对于拧紧质量的控制显然更好一些。但它对工艺的实施要求略高，一般需要采用电动扳手或拧紧轴。虽然可以采用人工施加转角的方法，但人并不能准确的控制每次施加的角度精度，所以，除了手工返修或应急情况下以外不使用手工转角。

更多的拧紧工艺方面的知识，请各位老铁，查看螺丝君发布的“拧紧工艺专栏”，那里有更详细的介绍哟。

螺栓拧紧的过程，就是变形的过程，不管是弹性形变还是塑性形变，最终的目的都是为了产生满足产品设计要求的预紧力。

可谓：螺栓像弹簧，可塑可弹DuangDuangDuang~

今天的话题，就分享到这里；更多详情，请关注微信公众号：GAF螺丝君（GAF-luosijun）

来源：GAF螺丝君