汽車用螺紋緊固件擰緊質量控制

摘 要：為控制汽車底盤零部件中結構件的螺栓聯接質量，文章通過案例分析，運用工程計算與試驗相結合的方法，確定聯接緊固扭矩的大小，再配以合理的檢驗手段，最終把螺栓聯接質量控制在滿意的范圍內。

關鍵詞：緊固扭矩；預緊力；磨擦系數；扭矩系數

前言

在汽車底盤零部件中有很多構件是由螺栓聯接的，螺栓聯接質量的好壞，取決于預緊力。在緊固件和結構允許的情況下，預緊力越大，聯接越安全可靠，結構疲勞壽命越高。但過高的預緊力，如控制不當會使螺栓拉長或斷裂，從而導致聯接失效；預緊力過小螺栓容易松動脫落，發生安全事故。所以，底盤零部件聯接設計中確保設計的預緊力，對質量控制至關重要。

1 預緊力控制方法

目前一般采用扭矩法來控制預緊力：在螺母或螺栓頭部施加一個緊固扭矩Tf，如果磨擦系數越大，扭矩系數就越大，預緊力就會越小，反之預緊力就會越大。

要使聯接可靠而不使螺栓拉長或斷裂，則要求設計時得出螺栓準確的緊固扭矩。

2 緊固扭矩計算

對于一般的聯接，在材料彈性區內緊固扭矩與預緊力的關系如下式所示：

Tf=Ts+Tw

式中：Tf-緊固扭矩；Ts-螺紋扭矩；Tw-支承面扭矩。

，Ff為預緊力；P為螺距，us為螺紋磨擦系數，d2為螺紋中徑，a'為螺紋牙側角。

TW=■uwDw，uw為支承面磨擦系數，Dw為支承面磨擦扭矩的等效直徑。

令K=■（■+usd2seca'+uwDw），緊固扭矩公式可簡寫為：Tf=KFfd

式中：K-扭矩系數；d-螺紋公稱直徑。

從上式中可以看出：Tf與Ff成正比，因此扭矩系數K的取值是決定緊固扭矩的關鍵因素。

一般設計時，先對構件聯接作受力分析，根據零部件受力情況計算出Ff值（一般情況下，鋼制高強度螺栓的預緊力Ff值可按預緊應力δf=0.7δs來確定。）

接著，根據Ff值的大小，確定螺栓強度等級及螺紋公稱直徑d。在選定聯接件后，根據扭矩-夾緊力試驗，計算出K值，再根據Tf=KFfd就可以確定合適的緊固扭矩。

3 實際案例

我公司生產的某型號前輪邊總成，安裝制動器總成時，原客戶設計圖上選用機械性能為10.9級的螺栓M12×1.25用于聯接，緊固扭矩為120±10N.m，在裝配過程中發現近50%的螺栓擰不到120N.m就出現拉長現象。剛開始懷疑螺栓的質量，經檢驗螺栓的硬度與抗拉強度均符合標準要求。又分析了客戶設計圖的設計依據，發現是采用了老標準，計算選取的是在高摩擦系數情況下的扭矩系數，而現在汽車行業低磨擦系數已經大規模發展應用，現在執行高摩擦系數下計算出來的緊固扭矩顯然已不合理。

以此螺栓為例：原汽車行業標準按高摩擦系數情況下，得扭矩系數為0.284，其使用標準扭矩為145N.m，預緊力為42547N，在材料本身的屈服強度范圍內；現在如果采用低磨擦系數標準，在理論最小值0.08時，扭矩系數為0.11，如果仍使用標準扭矩145N.m，預緊力將達到109848N，是材料本身屈服強度的1.3倍。

根據緊固扭矩計算方法，重新計算并試驗，最終確定公司生產的某型號前輪邊總成，其安裝制動器總成用10.9級螺栓M12×1.25聯接，標準緊固力矩為100N.m。按其重要度，擰緊精度等級選用Ⅱ級，扭矩比為0.818，最終選定扭矩范圍為90-110Nm。

裝配時只要擰緊螺栓緊固扭矩到該范圍，即可使螺栓取得準確的軸向預緊力，讓螺栓在工作時既能承受施加在螺栓上的力，又不會出現螺栓變形、斷裂等情況，從而提高產品可靠性及安全性。

4 緊固扭矩檢驗

除了準確的緊固扭矩計算外，實際裝配時的扭矩檢驗也至關重要。在裝配時應嚴格按緊固扭矩要求進行裝配，最好用扭力扳手，以便于精確控制緊固扭矩的大小，也是為查明實際緊固扭矩是否達到要求而同步進行的檢驗。

檢驗一般分間接法和直接法。間接法是以擰緊槍在完成螺栓緊固作業那一瞬間所顯示的值作為最終扭矩，一般稱為裝配扭矩。直接法則是一種事后檢查方法，是由專業檢查人員手持指針式或電子數顯式扭力扳手，直接對產品上某一螺栓聯接部位進行扭矩測試，這樣得到的最終扭矩值常稱為檢查扭矩。這種檢驗方法成本低，結果比較可靠，操作方便，是目前應用最廣的一種方法。

5 結束語

汽車底盤行業的結構件聯接中，螺栓聯接的質量，嚴重影響到行車安全。通過緊固扭矩的計算，并根據實踐試驗確定，配以實際生產過程中的檢查，足可以達到令人滿意的效果的。

根據此法進行參數改進的公司此型產品現在大批量生產供貨，此聯接質量穩定再無先前的缺陷。

參考文獻

[1]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].化學工業出版社，2004（8）.