新車型開發(fā)中螺紋緊固件擰緊扭矩的開發(fā)*

陳平 鄧偉平 譚志強(qiáng) 趙洋 樂(lè)慧杰 趙東海

（1.廣州汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院；2.吉利汽車集團(tuán)）

螺紋緊固件在汽車裝配過(guò)程中大量使用。新車型開發(fā)過(guò)程中無(wú)一例外地需要對(duì)整車螺紋緊固件的擰緊扭矩進(jìn)行設(shè)定和分析，輸出整車扭矩清單指導(dǎo)制造。目前，自主品牌主機(jī)廠對(duì)于新車型開發(fā)過(guò)程中的大部分螺紋緊固件的擰緊扭矩設(shè)定都是通過(guò)零部件供應(yīng)商依據(jù)經(jīng)驗(yàn)提供，或通過(guò)對(duì)標(biāo)競(jìng)品車型逆向檢測(cè)其靜態(tài)扭矩得出，然后通過(guò)大量道路試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)來(lái)分析其合格性和可靠性，因此造成擰緊扭矩設(shè)定的準(zhǔn)確性較差，擰緊質(zhì)量也無(wú)法保證。文章以汽車輪胎的擰緊力矩設(shè)定正向開發(fā)為例，制定擰緊力矩標(biāo)準(zhǔn)分析流程，進(jìn)行緊固件-扭矩/預(yù)緊力試驗(yàn)，采用Schatz多功能螺栓擰緊工藝分析系統(tǒng)進(jìn)行力矩正向分析，進(jìn)而給出設(shè)定擰緊力矩和擰緊策略的參考建議。

1 螺紋緊固件擰緊實(shí)質(zhì)

螺紋裝配擰緊的實(shí)質(zhì)是通過(guò)螺栓的預(yù)緊力將2個(gè)工件聯(lián)接在一起，在螺紋聯(lián)接中裝配擰緊的質(zhì)量保障是將螺栓的軸向預(yù)緊力控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。因此，對(duì)預(yù)緊力的準(zhǔn)確控制是保證裝配質(zhì)量的基礎(chǔ)。

1.1 擰緊扭矩等級(jí)

依據(jù)對(duì)汽車的安全性、法規(guī)性及功能重要性的影響程度，參考（德）DIN2862汽車工業(yè)中擰緊設(shè)備的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求將汽車總裝的裝配扭矩分為3個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1 汽車工業(yè)中擰緊設(shè)備的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)（擰緊扭矩等級(jí)）

1.2 擰緊扭矩精度

依據(jù)當(dāng)前汽車的法規(guī)性和生產(chǎn)工藝性，汽車總裝的擰緊扭矩精度分為3級(jí)，如表2所示。

表2 擰緊扭矩精度等級(jí)

分析擰緊精度過(guò)程中，擰緊精度須與擰緊等級(jí)匹配。擰緊扭矩等級(jí)A級(jí)與擰緊扭矩精度Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)匹配；擰緊扭矩等級(jí)B級(jí)與擰緊扭矩精度Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)匹配；擰緊扭矩等級(jí)C級(jí)與擰緊扭矩精度Ⅲ級(jí)匹配。指導(dǎo)制造部門根據(jù)擰緊精度要求合理選擇擰緊工具[1]。

2 螺紋緊固件擰緊方法

目前主機(jī)廠主流用于螺紋擰緊的方法主要有扭矩法、扭矩-轉(zhuǎn)角法及屈服點(diǎn)法。文章主要討論基于扭矩法及扭矩-轉(zhuǎn)角法的擰緊扭矩分析。

2.1 扭矩法

扭矩法是利用扭矩值與預(yù)緊力的線性關(guān)系進(jìn)行控制的方法。該方法只控制施加的實(shí)際扭矩，是利用彈性區(qū)域內(nèi)扭矩與夾緊力的線性關(guān)系進(jìn)行擰緊控制的一種方法。通過(guò)控制擰緊扭矩間接地實(shí)施預(yù)緊力控制的扭矩法由于受到摩擦因數(shù)等多種不確定因素的影響，扭矩比是影響擰緊扭矩的主要因素，導(dǎo)致對(duì)軸向預(yù)緊力控制精度低。

2.2 扭矩-轉(zhuǎn)角法

扭矩-轉(zhuǎn)角控制法的實(shí)質(zhì)是控制螺栓的伸長(zhǎng)量。螺栓擰緊過(guò)程中，在連接面貼合以后的整個(gè)彈性區(qū)域內(nèi)，軸向預(yù)緊力與伸長(zhǎng)量成正比，而螺栓的轉(zhuǎn)角和螺栓伸長(zhǎng)量也成比例關(guān)系，彈性區(qū)域內(nèi)緊固轉(zhuǎn)角與預(yù)緊力的關(guān)系，如式（1）所示。

式中：θf(wàn)——彈性區(qū)域內(nèi)緊固轉(zhuǎn)角度，（°）；

Ff——彈性區(qū)域內(nèi)預(yù)緊力，N；

kb——螺栓拉伸彈性剛度，N/m2；

kc——被連接件壓縮彈性剛度，N/m2；

P——螺距，mm。

該方法在螺栓規(guī)格確定的情況下，螺栓預(yù)緊力與摩擦因數(shù)沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)，但受到起始扭矩的離散影響。雖然螺栓預(yù)緊力與摩擦因數(shù)無(wú)關(guān)，但與螺栓和被連接件的剛度有關(guān)，并且實(shí)施擰緊時(shí)的不同做法，如采取擰緊后松開再擰緊和分步擰緊等方式，都直接影響最終（裝配）扭矩值的分布范圍[2]。

3 扭矩開發(fā)流程

螺紋緊固件的扭矩開發(fā)流程，如圖1所示。

圖1 螺紋緊固件扭矩開發(fā)流程圖

具體方法：1）預(yù)緊力計(jì)算。根據(jù)產(chǎn)品緊固場(chǎng)合、設(shè)計(jì)要求、工作載荷及聯(lián)接要求等綜合因素（或則CAE仿真分析）計(jì)算出理論預(yù)緊力值。2）標(biāo)準(zhǔn)件選型。合理選擇標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格，盡量選擇國(guó)標(biāo)件，減少非標(biāo)件的使用。3）擰緊空間校核。校核連接場(chǎng)合是否滿足標(biāo)準(zhǔn)件的裝配性。4）擰緊扭矩計(jì)算。根據(jù)預(yù)緊力、緊固件規(guī)格及螺紋副連接狀態(tài)等參數(shù)計(jì)算擰緊扭矩。分析摩擦因數(shù)、強(qiáng)度、擰緊精度、擰緊等級(jí)及連接剛度等相關(guān)因素與扭矩的匹配性。5）試驗(yàn)驗(yàn)證。一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)各相關(guān)參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證擰緊扭矩的設(shè)定合理性。另一方面通過(guò)室外的道路和耐久試驗(yàn)驗(yàn)證扭矩的合格性及可靠性。6）擰緊策略選擇。根據(jù)連接場(chǎng)合、產(chǎn)量和成本、擰緊扭矩、擰緊等級(jí)及擰緊精度選擇對(duì)應(yīng)的擰緊方法、擰緊工具及擰緊方式。

針對(duì)各設(shè)計(jì)部門提供的扭矩清單中的每個(gè)緊固件進(jìn)行分析，分析結(jié)果合格后匯編成整車扭矩清單，與各設(shè)計(jì)部門及制造部門會(huì)簽審核通過(guò)后，再發(fā)布給制造部門作為總裝重要工藝指標(biāo)文件指導(dǎo)生產(chǎn)。制造部門根據(jù)整車扭矩清單里的擰緊等級(jí)、擰緊精度及扭矩值等參數(shù)合理選擇擰緊工具、擰緊方法、裝配工藝及扭矩質(zhì)量檢測(cè)方法[3]。

4 某車型前車輪螺栓擰緊扭矩分析

以某新開發(fā)車型的前車輪螺栓的擰緊扭矩信息為例，車輪螺栓為10.9級(jí)M12×1.25螺栓，擰緊扭矩設(shè)定為（120±12）N·m，擰緊等級(jí)為 A，擰緊精度為Ⅱ級(jí)，分析其扭矩的設(shè)定合理性。車輪螺栓擰緊扭矩所需主要參數(shù)，如表3所示。

表3 車輪螺栓擰緊扭矩所需主要參數(shù)表

4.1 預(yù)緊力計(jì)算

首先分析產(chǎn)品的工作載荷和設(shè)計(jì)要求，從表3中車型產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供的軸距、滿載質(zhì)量及輪胎半徑等參數(shù)，計(jì)算滿載時(shí)單個(gè)前輪所需制動(dòng)扭矩，如式（2）所示；然后根據(jù)得出的單個(gè)前輪所需制動(dòng)扭矩，以及螺栓數(shù)量及摩擦因數(shù)等規(guī)格參數(shù)，計(jì)算出單個(gè)螺栓需要的預(yù)緊力計(jì)算，如式（3）所示。

式中：Tμf——制動(dòng)扭矩，N·m；

mf——滿載前軸質(zhì)量，取1 153 kg；

m——滿載質(zhì)量，2 150 kg；

hg——滿載質(zhì)心高度，取630 mm；

z——螺栓數(shù)目，取5個(gè)；

φ——附著系數(shù)，取值0.8；

L——軸距，取2 702 mm；

r——輪胎滾動(dòng)半徑，取379 mm；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

代入數(shù)據(jù)，求解式（2）得到單個(gè)前輪所需制動(dòng)扭矩：

預(yù)緊力：

式中：n——接合面數(shù)量，取2個(gè)；

μs——支撐面摩擦因數(shù)；取0.12；

F0——螺栓軸向預(yù)緊力，N；

r0——車輪螺栓PCD徑，取54 mm；

ks——防滑系數(shù)，取1.0。

代入數(shù)據(jù)，求解式（3）得到單個(gè)螺栓需要的預(yù)緊力：

4.2 標(biāo)準(zhǔn)件選型

根據(jù)預(yù)緊力等參數(shù)和該平臺(tái)車型的車輪PCD徑，以及緊固件盡量沿用原則綜合選擇原10.9級(jí)的M12螺栓緊固件。

4.3 操作空間校核

沿用該平臺(tái)車型的車輪輪轂PCD徑及緊固件。螺栓套筒通過(guò)空間足夠，滿足擰緊空間要求。

4.4 擰緊扭矩計(jì)算[4]

參考緊固件連接設(shè)計(jì)手冊(cè)及螺紋緊固件通則中擰緊扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系（見(jiàn)式4），以及影響扭矩系數(shù)的因素（見(jiàn)式5），先計(jì)算出扭矩系數(shù)值，再代入數(shù)值得到擰緊扭矩（T/N·m）：

式中：d——螺紋公稱直徑mm，取12 mm；

Kt——扭矩系數(shù)；

d2——螺紋中徑mm，取11.188 mm；

Dw——車輪螺栓與制動(dòng)盤接觸面直徑，取24 mm；

α'——螺紋牙側(cè)角，取30°；

μs——螺紋摩擦因數(shù)，取0.15；

μw——支撐面之間摩擦系數(shù)，取0.20。

代入相關(guān)參數(shù)，得：T=118.5 N·m，四舍五入，取整數(shù) T=120 N·m。

根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，校核螺栓規(guī)格承受最大應(yīng)力的安全性，計(jì)算螺栓的最大實(shí)際拉應(yīng)力和最大實(shí)際應(yīng)力，如式（6）和（7）所示。

式中：σ——螺栓實(shí)際拉應(yīng)力，MPa；

σcα——螺栓實(shí)際應(yīng)力，MPa；

τ——螺栓實(shí)際剪應(yīng)力，取0.5σ；

As——車輪螺栓等效應(yīng)力截面積，取84.3 mm2。

代入相關(guān)參數(shù)，得到實(shí)際拉應(yīng)力：σ=477 MPa，實(shí)際應(yīng)力：σcα=634 MPa。因10.9級(jí)M12螺栓的許用應(yīng)力為900 MPa，所以 σcα=634 MPa＜900 MPa，滿足要求。

理論計(jì)算得出車輪螺栓在擰緊扭矩120 N·m下，實(shí)際使用應(yīng)力小于螺栓規(guī)格的許用應(yīng)力，螺栓使用安全可靠。綜上分析得出：車輪螺栓為重要擰緊場(chǎng)合，擰緊扭矩值設(shè)定為（120±12）N·m。擰緊等級(jí)為A，擰緊精度為Ⅱ。

4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.5.1 擰緊扭矩-軸向預(yù)緊力試驗(yàn)

參考緊固件-扭矩/軸向預(yù)緊力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的部分要求，利用Schatz多功能螺栓擰緊工藝分析系統(tǒng)進(jìn)行車輪螺栓擰緊試驗(yàn)，分析擰緊過(guò)程的總扭矩、支撐面扭矩、螺紋扭矩、預(yù)緊力、扭矩系數(shù)、支撐面摩擦因數(shù)、螺紋摩擦因數(shù)及總摩擦因數(shù)等參數(shù)[5]。

考慮實(shí)際擰緊工具影響，在 20，40，50，60 r/min 擰緊轉(zhuǎn)速下，以目標(biāo)扭矩的80%～90%扭矩設(shè)定值進(jìn)行多組數(shù)據(jù)試驗(yàn)，以及采用轉(zhuǎn)角法擰緊緊固件至屈服狀態(tài)。各參數(shù)曲線圖，如圖2～圖4所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下扭矩試驗(yàn)的總扭矩-預(yù)緊力曲線圖（擰緊轉(zhuǎn)速20 r/min）

圖3 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下扭矩試驗(yàn)的螺紋/支撐面扭矩-夾緊力曲線圖（擰緊轉(zhuǎn)速20 r/min）

圖4 不同擰緊轉(zhuǎn)速下扭矩試驗(yàn)的總扭矩-轉(zhuǎn)角曲線圖

車輪螺栓擰緊試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。

表4 車輪螺栓擰緊試驗(yàn)結(jié)果

緊固件-扭矩/軸向預(yù)緊力試驗(yàn)中，從圖2可以看出，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下緊固件-扭矩/軸向預(yù)緊力試驗(yàn)曲線斜率穩(wěn)定，總扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系趨向于線性比例，總扭矩在118 N·m時(shí)轉(zhuǎn)化出約4 000 N的預(yù)緊力，跟理論計(jì)算較為一致。從圖3可以看出，支撐面消耗扭矩約為60N·m，螺紋間消耗扭矩為50N·m，兩者扭矩及預(yù)緊力試驗(yàn)曲線斜率穩(wěn)定，扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系趨向于線性比例。從圖4可以看出，在20，40，50，60 r/min等不同擰緊轉(zhuǎn)速下，當(dāng)角度轉(zhuǎn)過(guò)15°后，總扭矩值達(dá)到20 N·m后，擰緊螺栓基本都達(dá)到貼合點(diǎn)，即在彈性范圍內(nèi)總扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系趨向于線性比例的穩(wěn)定關(guān)系，繼續(xù)擰緊，當(dāng)角度轉(zhuǎn)過(guò)130°后，總扭矩值達(dá)到170 N·m，基本達(dá)到螺栓屈服點(diǎn)，螺栓狀態(tài)由彈性趨向于塑性變形。

從表4的結(jié)果綜合分析得出，總扭矩在110～120 N·m，扭矩系數(shù)為0.233、預(yù)緊力約為40.10 kN、總摩擦因數(shù)為0.160（摩擦因數(shù)要求在0.12～0.18）。以上數(shù)據(jù)都與理論計(jì)算值接近。

4.5.2 道路試驗(yàn)

在進(jìn)行3萬(wàn)km強(qiáng)化路試，以及16萬(wàn)km常規(guī)路試和耐久試驗(yàn)過(guò)程中，每5 000 km進(jìn)行扭矩檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)車輪螺栓松脫等異常質(zhì)量問(wèn)題。擰緊扭矩可靠性合格。

綜上分析可知，車輪螺栓擰緊扭矩值設(shè)定為（120±12）N·m是合理。

4.6 擰緊策略選擇

4.6.1 扭矩法

擰緊扭矩值設(shè)定為（120±12）N·m；擰緊設(shè)備選擇普通電動(dòng)擰緊機(jī)，考慮擰緊轉(zhuǎn)速影響，設(shè)定2次擰緊方式。

擰緊機(jī)設(shè)備擰緊步驟設(shè)定為：1）慢速反轉(zhuǎn)180°（擰緊轉(zhuǎn)速90 r/min），套筒認(rèn)帽及螺紋檢測(cè)過(guò)程；2）快速正轉(zhuǎn)到40 N·m（擰緊轉(zhuǎn)速280 r/min），達(dá)到貼合點(diǎn)扭矩；3）慢速正轉(zhuǎn)擰緊到100 N·m（擰緊轉(zhuǎn)速90 r/min），達(dá)到80%目標(biāo)扭矩值（1次擰緊）；4）慢速反轉(zhuǎn) 180°（擰緊轉(zhuǎn)速90 r/min），擰松螺栓；5）慢速正轉(zhuǎn)擰緊到120 N·m（擰緊轉(zhuǎn)速 60 r/min），達(dá)到目標(biāo)扭矩值（2次擰緊）；6）慢速反轉(zhuǎn)3°，套筒與緊固件分離。

4.6.2 選擇扭矩-轉(zhuǎn)角法

根據(jù)圖4的試驗(yàn)曲線得出，當(dāng)擰緊扭矩值達(dá)到20 N·m后，擰緊螺栓基本都達(dá)到貼合點(diǎn)，可以設(shè)定起始扭矩為40 N·m；當(dāng)角度轉(zhuǎn)過(guò)130°后，總扭矩約為170 N·m時(shí)，螺栓會(huì)達(dá)到屈服點(diǎn)，考慮螺栓材料使用率不超過(guò)屈服強(qiáng)度的80%，且轉(zhuǎn)角在80°時(shí)總扭矩約為120 N·m。分析得出擰緊扭矩值設(shè)定為：起始扭矩40 N·m，轉(zhuǎn)角（60±10）°；擰緊設(shè)備選擇伺服電動(dòng)擰緊機(jī)。

擰緊機(jī)擰緊步驟為：1）慢速反轉(zhuǎn)180°（90 r/min），套筒認(rèn)帽及螺紋檢測(cè)過(guò)程；2）慢速正轉(zhuǎn)擰緊到40 N·m（起始扭矩，擰緊轉(zhuǎn)速90 r/min）；3）轉(zhuǎn)角控制擰緊60°（角度控制）；4）慢速反轉(zhuǎn)3°，套筒與緊固件分離。

擰緊策略的選擇受到資金投入、產(chǎn)量要求、生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備價(jià)格、成本控制、使用壽命及車型質(zhì)量定位等多方面因素影響，各制造廠商根據(jù)自身實(shí)際情況合理選擇擰緊方式。

5 結(jié)論

緊固件擰緊扭矩是汽車裝配中最重要的工藝管控參數(shù)。擰緊扭矩的質(zhì)量保證可以從裝配后質(zhì)量檢查、制造過(guò)程控制及設(shè)計(jì)研發(fā)保證3個(gè)層面上解決。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)件聯(lián)接質(zhì)量的因素和方法也很多，需根據(jù)連接場(chǎng)合、重要度、成本經(jīng)濟(jì)性及安全性要求綜合選擇合理的擰緊質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[6]。

文章以某汽車自主品牌的新車型開發(fā)為例，從螺紋聯(lián)接的實(shí)質(zhì)分析出發(fā)，通過(guò)制定擰緊力矩分析標(biāo)準(zhǔn)流程，采用Schatz多功能螺栓擰緊工藝分析系統(tǒng)，根據(jù)緊固件-扭矩/預(yù)緊力試驗(yàn)結(jié)果，得出影響擰緊質(zhì)量的各種參數(shù)值，進(jìn)而給出設(shè)定擰緊力矩和擰緊策略的參考建議。同時(shí)在扭矩開發(fā)過(guò)程，需要重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)事項(xiàng)對(duì)扭矩開發(fā)準(zhǔn)確性的影響。

1）扭矩開發(fā)過(guò)程中，預(yù)緊力要求是一個(gè)非常重要的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)輸入，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供的預(yù)緊力要求，工藝人員才能以此為基礎(chǔ)進(jìn)行扭矩開發(fā)設(shè)計(jì)。2）采用扭矩法的扭矩系數(shù)的選取，可以從設(shè)計(jì)計(jì)算中或試驗(yàn)過(guò)程得出。2種方法得出的數(shù)據(jù)值或許差異性不大，但是卻代表了2種不同的參數(shù)理念。從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，利用試驗(yàn)過(guò)程得出的扭矩系數(shù)更具生產(chǎn)指導(dǎo)意義，該方式得出的扭矩系數(shù)客觀上囊括了多方綜合影響因素的影響。3）評(píng)價(jià)扭矩?cái)Q緊質(zhì)量不能只依靠扭矩值單一指標(biāo)參數(shù)。應(yīng)從如摩擦因數(shù)、扭矩系數(shù)、預(yù)緊力、擰緊方法及CPK（過(guò)程能力指數(shù)）等多方面指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)。4）伴隨擰緊工藝及擰緊設(shè)備的發(fā)展，誤差性很大的靜態(tài)扭矩值檢測(cè)已經(jīng)無(wú)法滿足高質(zhì)量擰緊的評(píng)價(jià)，應(yīng)逐步提高采用以動(dòng)態(tài)扭矩及擰緊過(guò)程監(jiān)控為主的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的普及。