汽车总装螺栓拧紧控制工艺分析及优化

1 螺栓拧紧主要控制方法

在汽车总装车间, 零部件与整车车身之间主要采用螺栓连接, 螺栓与连接件之间依靠紧固扳手或电动拧紧工具拧紧。

螺栓在拧紧过程中, 采用拧紧工具对螺栓的拧紧扭矩进行控制, 实现螺栓与连接件之间的可靠连接。

常用的螺栓拧紧控制方法有扭矩控制法、扭矩转角控制法、屈服点法、伸长量法等。

1.1 扭矩控制法

扭矩控制法通过控制螺栓的最终扭矩获得螺栓所需要的轴向预紧力。

这种方法主要应用于螺栓材料的弹性区域, 当螺栓在拧紧扭矩达到目标扭矩时, 通过停止拧紧工具的使能信号来结束扭矩控制。

采用扭矩控制法对螺栓进行拧紧的过程中, 螺栓的轴向预紧力与扭矩成正比, 如图1所示。

图1中：

F0为螺栓贴合点的预紧力,

F1为螺栓中间拧紧点的预紧力,

F2为螺栓拧紧结束点的预紧力,

Ta为螺栓贴合点的扭矩,

Tb为螺栓中间拧紧点的扭矩,

Tc为螺栓拧紧结束点的扭矩。

扭矩控制法在螺栓拧紧过程中由于受到摩擦因数的影响, 约90%的拧紧扭矩会被支承面及螺纹的摩擦阻力所消耗, 剩余约10%的扭矩才真正转换为轴向预紧力。

图1扭矩控制法轴向预紧力与扭矩关系

1.2 扭矩转角控制法

采用扭矩转角控制法对螺栓拧紧进行控制的过程中, 将螺栓拧紧至设定的扭矩值, 使螺栓与螺栓连接件的贴合面贴合。

螺栓与连接件贴合后, 继续旋转螺栓至预先设置的角度。

扭矩转角控制法分为弹性区和塑性区两类。在弹性区采用扭矩转角控制法时, 确定起始点扭矩后, 通过改变螺栓旋转角度来控制螺栓的轴向预紧力。

弹性区轴向预紧力F与旋转角度θ成正比, 对应的关系为:

式中:Cs为螺栓连接刚度系数;P为螺栓螺距。

扭矩转角控制法中, 螺栓旋转角度不仅与螺栓及螺栓连接件的尺寸、材质有关, 而且与螺栓弹性变形及拧紧精度有关。

1.3 屈服点法

屈服点法又称斜率法, 控制原理与螺栓材料的屈服特性有关。

采用屈服点法对螺栓拧紧进行控制时, 最初阶段拧紧扭矩转角曲线的斜率不断增大。螺栓进入弹性区后, 拧紧扭矩转角曲线的斜率为定值。

螺栓进入塑性区后, 拧紧扭矩与转角不再成线性比例关系, 曲线斜率逐渐减小。

当斜率减小到最大斜率的1/2～1/3时, 判定螺栓达到屈服点。

在螺栓达到屈服点后, 通过监测斜率的变化来控制拧紧工具并停止拧紧操作。

采用屈服点法对螺栓拧紧进行控制的过程中, 拧紧扭矩、转角与拧紧扭矩转角斜率的关系如图2所示。

图2屈服点法参数变化曲线

图2中, Tq1为螺栓屈服点的扭矩, Tq2为螺栓屈服极限的扭矩;γ1为1/2拧紧扭矩转角曲线最大斜率。

在螺栓拧紧过程中, 拧紧扭矩转角曲线斜率γ与扭矩改变值△T和转角改变值△θ有关, 对应的关系式为:

1.4 伸长量法

伸长量法的原理是根据材料的特性, 螺栓伸长的长度与螺栓轴向预紧力改变量之间的比值为定值, 通过用仪表或工具测量螺栓的伸长量, 来计算螺栓轴向预紧力。

采用伸长量法所得到的螺栓预紧力精度高、误差小, 但测量仪器成本高。

目前, 已有的测试仪器采用超声传感器测量, 传感器在测量过程中不断采集回声频率信号, 这一信号随着螺栓的伸长量变化而变化。

2 变速器支撑连接螺栓装配过程

汽车在总装车间装配时, 变速器及变速器支撑连接螺栓的装配步骤如下:

(1) 安装变速器与发动机, 固定定位销, 将变速器和发动机用螺栓进行连接, 采用拧紧工具紧固;

(2) 将变速器的安装托架连接到变速器上, 安装对应的连接螺栓, 用拧紧工具对螺栓进行紧固;

(3) 将变速器支撑与车身进行连接, 紧固变速器支撑与车身的连接螺栓。

变速器支撑与车身共有四颗连接螺栓, 分别为A1、A2、A3、A4。

四颗螺栓对应的扭矩工艺值一致, 采用相同的工艺参数及拧紧控制工艺进行拧紧。连接螺栓的扭矩工艺值为80 N·m±10%。

选用M10×50-8.8外六角法兰螺栓。参照GB/T5783—2016《六角头螺栓全螺纹》标准, 该规格螺栓为高强度、不锈钢、有色金属螺栓,

M10表示螺栓外径为10 mm,

8.8表示螺栓性能等级,

50表示螺纹长度为50 mm,

最大拉伸应力为800 MPa,

单位面积的屈服应力为640 MPa, 为极限拉伸应力的80%。

与螺栓拧紧质量有关的主要参数包括螺纹摩擦因数、支承面摩擦因数、屈服紧固轴力、屈服紧固扭矩。对应的关系参照GB/T 16823.2—1997《螺纹紧固件紧固通则》标准, 见表1, 表2。

由表1、表2得到规格为M10、性能等级为8.8的螺栓, 其：

最大屈服紧固轴力为32.8 kN, 对应螺纹摩擦因数为0.08,

最小屈服紧固轴力为16.1 kN, 对应螺纹摩擦因数为0.45,

最大屈服紧固扭矩为118 N·m, 对应支承面摩擦因数为0.45,

最小屈服紧固扭矩为45.8N·m, 对应支承面摩擦因数为0.08。

屈服紧固轴力Ffy与螺栓材料的屈服极限值δy、螺纹应力截面积As、螺栓等效直径dA、螺距P、螺纹中径d2、螺纹摩擦因数μs、螺纹牙侧角α′有关, 对应的关系式为:

屈服紧固扭矩Tfy与螺栓扭矩因数K、螺纹公称直径d、屈服紧固轴力Ffy有关, 对应的关系式为:

3 变速器支撑连接螺栓拧紧控制工艺

3.1 扭矩控制法拧紧控制工艺

采用扭矩控制法, 扭矩工艺值为80 N·m±10%。

工作程序为启动、反转认帽、预拧紧第一阶段、预拧紧第二阶段、终拧紧。

螺栓采用电动拧紧工具进行拧紧, 详细螺栓拧紧步骤及工艺参数见表3。

在扭矩控制法中, 螺栓的拧紧扭矩T与轴向预紧力F之间的关系为线性关系, 对应的关系式为:

表1 M10螺栓屈服紧固轴力与螺纹摩擦因数关系

表2 M10螺栓屈服紧固扭矩与支承面摩擦因数关系

表3 变速器支撑连接螺栓拧紧步骤及工艺参数

扭矩控制法中, 螺栓需要克服螺纹支承面的摩擦力, 受到摩擦因数的影响, 不能有效发挥材料的潜在性能。

与此同时, 由于扭矩因数存在偏离, 导致最终扭矩预紧力离散度较大, 误差很大, 使最终扭矩预紧力精确度偏低。

3.2 扭矩因数分析

扭矩因数的大小对于保证轴向预紧力起关键性作用。

扭矩因数是一个变量, 其大小与接触面与螺纹牙之间的摩擦阻力、螺栓的尺寸、螺母与被连接件的摩擦因数、拧紧工具的精度、拧紧速度, 以及拧紧条件有关, 对应的关系式为：

式中:Dw为支承面等效直径。

3.3 摩擦因数分析

摩擦因数包括螺纹摩擦因数和支承面摩擦因数。

通常情况下, 螺纹摩擦因数及支承面摩擦因数无法精确测量。

在实际应用过程中, 通过在与螺栓屈服点或屈服极限对应的50%～80%螺栓轴力范围内的任意一点, 测定轴向预紧力、螺纹扭矩、支承面扭矩。

螺纹摩擦因数μs与轴向预紧力F、拧紧扭矩T有关, 对应的关系式为:

式中:φ为螺纹升角。

支承面摩擦因数μw与轴向预紧力F、支承面扭矩Tw有关, 对应的关系式为:

3.4 摩擦因数对扭矩控制法的影响

当螺栓紧固件的工艺参数设计完成后, 相关参数, 如螺距、螺纹公称直径、螺纹牙侧角、螺纹中径会最终确定, 但摩擦因数则并不相同。

对摩擦因数有影响的包括螺纹副与端面之间的光滑程度、螺栓表面的贴合程度、零件公差, 以及所选用材料的强度、种类等。

当摩擦因数在0.1～0.16之间变化时, 同一种工具采用同一种扭矩控制法所产生的轴向预紧力在上限与下限之间相差50%以上。

当摩擦因数较大, 采用扭矩控制法达到设定的扭矩时, 有可能无法达到所需要的轴向预紧力。

当摩擦因数较小, 采用扭矩控制法达到设定的扭矩时, 有可能造成轴向预紧力过大, 从而造成轴向预紧力过载, 产生螺栓断裂的风险。

3.5 参数优化

对现有变速器支撑连接螺栓拧紧工艺参数进行优化, 原采用的扭矩控制法的螺栓拧紧扭矩工艺值为80N·m±10%, 优化为采用扭矩转角控制法, 当扭矩达到一定值时, 再旋转一定的角度来完成螺栓的整个拧紧过程。

扭矩控制法及扭矩转角控制法的拧紧扭矩转角曲线如图3所示。

在扭矩转角控制法中, 终拧紧阶段将45 N·m作为扭矩阈值, 在该值开始拧紧至目标扭矩80 N·m, 监控该段拧紧过程的转角及扭矩。

采用扭矩转角控制法的目标扭矩T1、起始扭矩T0与转角θ的关系式为:

式中:α为扭矩常数值。

在螺栓各项参数确定的情况下, 扭矩常数值α为固定值, 则最终目标扭矩T1主要与起始扭矩T0和转角θ有关。

采用扭矩转角控制法, 扭矩工艺值为T0±10%, 转角为θ±5°, 变速器支撑连接螺栓拧紧顺序为A1、A2、A3、A4。工作步骤为启动、反转认帽、预拧紧第一阶段、T0时预拧紧第二阶段、终拧紧转角θ。

起始扭矩T0和转角θ参照经验进行预先估计设置, 笔者试验中转角θ取60°。采用扭矩转角控制法, 并对变速器支撑连接螺栓拧紧工艺参数进行优化, 见表4。

图3拧紧扭矩转角曲线

相比扭矩控制法, 扭矩转角控制法不受扭矩因数和摩擦因数的影响, 可获得更高的扭矩及转角精度, 螺栓轴向预紧力的精度高。

对于关键工位的螺栓拧紧, 采用扭矩转角控制法, 可以提高螺栓连接的拧紧质量。

4 最 后

对常用的螺栓拧紧控制工艺进行分析, 结合汽车总装车间变速器支撑连接螺栓的拧紧工艺控制要求, 针对扭矩控制法在控制过程中出现的精度低、误差大, 以及受螺栓摩擦因数影响的问题, 采用扭矩转角控制法, 并优化拧紧工艺参数, 为汽车总装车间的螺栓拧紧控制工艺提供了参考。

表4 优化后变速器支撑连接螺栓拧紧步骤及工艺参数

来源：GAF螺丝君