汽車輪轂螺母擰緊扭矩分析及質量控制

彭守桃，李平

(1.湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南長沙 410100；2.三一重工股份有限公司，湖南長沙 410100)

0 引言

螺紋連接是汽車總裝零部件最廣泛的連接方式之一，使被連接零部件緊密貼合且有足夠的軸向預緊力并能承受一定的動載荷[1]。但在實際生產過程中，螺栓連接副的夾緊力測量困難，因此將扭矩作為螺栓連接裝配質量的間接評價指標。

根據國家市場監督管理局發布的2019年汽車召回信息，國內各汽車生產企業因安全隱患被召回222批，召回缺陷汽車共計700萬輛，因緊固件連接失效、扭矩不符合要求等緊固件質量問題引起汽車召回24批，約18.47萬輛，主要存在扭矩控制方法不正確，控制工藝不規范，過程檢測方法不妥等引起螺栓回彈或螺母回轉，軸向力下降，造成緊固件松動承受沖擊動能而失效，影響整車質量可靠性。因此，通過提升整車擰緊裝配質量,進而推動汽車行業的發展已迫在眉睫。

1 螺紋連接技術

1.1 螺紋連接原理

螺紋連接是利用擰緊螺母或內螺紋使螺栓形成彈性變形而產生軸向拉力，通過軸向力、剪切力和夾緊力復合作用，起到緊固零件并保證其聯接強度，如圖1所示。

圖1 螺紋連接受力示意

根據緊固扭矩、夾緊力與摩擦力的關系：

(1)

對同一種螺紋緊固件施加相同的扭矩時，受螺栓副摩擦因數的影響，緊固件夾緊力有時偏高(低摩擦)，有時偏低(高摩擦)。螺紋連接中施加一定的擰緊扭矩，不同的摩擦因數分配到螺紋副、螺紋斷面和夾緊力三部分的消耗功不同，一般情況，螺紋端面摩擦占50%，螺紋副端面摩擦占40%，僅10%扭矩轉化為夾緊力，摩擦因數與夾緊力成反比。因此可以通過控制螺栓連接摩擦因數在一定范圍，從而控制夾緊力在可接受范圍內。

1.2 螺栓擰緊技術

在裝配過程中，常用的螺栓擰緊方法主要包括:扭矩控制法、扭矩-轉角控制法、屈服點控制法[2]等。

1.在人防上，各油區成立了護衛隊。由精明強干具有較高專業技術素質的隊員組成，并制定出相關的《工作質量考核要求》、《巡邏隊員職責》等制度，定期對巡邏隊員培訓和考核，實行動態管理。工作中，要運用“七種方式”即：巡回式、埋伏式、封卡式、拉網式、包剿式、卡堵式和聯動式，對油區的重點井、重點區塊、重點車輛、油線和重點路口實行全天監控，白天巡邏，遇到特殊情況加密巡邏次數，責任落實到人。夜晚采取爬窩守候、設卡埋伏、圍攻堵截等措施。同時，油區發生緊急案情時，無論白天還是夜晚，隊員們必須在5－10分鐘內立即趕到現場，及時處理突發事件，要做到事不過時。才能有力地打擊不法分子的囂張氣焰。

1.1.1 扭矩控制法

扭矩控制法是在螺栓彈性區域內，利用扭矩值與預緊力的線性關系，通過控制緊固扭矩間接地控制軸向預緊力，是應用最廣泛的一種擰緊控制方法。該方法操作簡單，易于實現、對設備要求不高，預緊力精度較低約為±25%，一般用于非關鍵部位。

1.1.2 扭矩-轉角控制法

此方法通過測量扭矩和轉角兩個參數，控制扭矩的同時，用緊固轉角參數對預緊力進行監控控制。該方法控制系統較復雜,但預緊力精度較高約為±15%，一般用于重要的裝配部位。

1.1.3 屈服點控制法

該方法可以最大限度地利用螺栓強度，通過對擰緊扭矩/角度曲線斜率的連續計算和判斷，同時測試螺紋副裝配扭矩和螺紋擰緊轉角隨時間的變化量，是一種高精度的擰緊方法，預緊力精度約為±5%，對擰緊設備的要求較高，一般用于關鍵部位。

2 動、靜態扭矩定義及特征

根據緊固件擰緊的不同過程，不同扭矩檢測時間，結果和作用，擰緊扭矩分為動態扭矩和靜態扭矩。動態扭矩不等于靜態扭矩，動態扭矩用于生產，控制擰緊過程，而靜態扭矩用于檢驗，監控生產過程穩定性[3]。動態扭矩與靜態扭矩既有區別又有聯系，其擰緊的最終目的是獲得穩定的，足夠的夾緊力，因此兩種扭矩值都非常重要。

2.1 動態扭矩

動態扭矩(Dynamic Torque)是指緊固件在緊固過程中,由緊固動力工具設定或由其傳感器測得的緊固過程扭矩的最大值。一般來說，動態扭矩用于標定動力工具的力矩，在生產過程中測量的，又稱為工藝扭矩。測量動態扭矩是要確保擰緊過程中的扭矩合格。

2.2 靜態扭矩

根據《GB/T 26547—2011 螺紋緊固件用回轉工具性能試驗方法》，螺紋副之間的聯接結構存在3種連接方式：軟連接、硬連接和中性連接[4]，不同連接方式扭矩衰減程度不同。根據汽車行業的統計規律和經驗，靜態扭矩和動態扭矩受連接方式，靜態摩擦力和彈性衰減的綜合影響，呈現以下規律性：軟連接，因材料受力發生蠕變，產生扭矩彈性衰減，靜態扭矩一般低于動態扭矩；硬連接，因靜摩擦力作用，靜態扭矩一般高于動態扭矩；中性連接，靜態扭矩與動態扭矩相當。當出現靜態扭矩值小于動態扭矩時，則認為扭矩存在衰減。扭矩衰減不能完全消除，同時，扭矩衰減也未必說明連接失效，只需保證生產過程中控制扭矩衰減后的夾緊力不低于設計夾緊力的標準下限即可保證連接可靠性。

3 靜態扭矩的評價方法

3.1 靜態檢測扭矩判定標準

參考DIN 2862標準，依據汽車的安全性、法規性、功能重要性的影響程度，將汽車螺栓裝配扭矩等級分為A、B、C 3類，A類安全連接螺栓是螺栓失效后，直接或間接危及乘員以及行人的生命安全；B類關鍵連接螺栓，螺栓功能失效后可能導致車輛的某一功能下降或喪失；C類一般螺栓連接，螺栓失效后會引起客戶抱怨。同時根據《某公司裝配扭矩控制管理辦法》，不同等級的靜態檢測扭矩判定標準見表1。

表1 靜態檢測扭矩判定標準

3.2 車輪螺母擰緊扭矩分析

3.2.1 擰緊站的工作原理

某汽車公司的輪胎自動擰緊站是由輪胎輸送鏈上料、機器人抓取、視覺定位、自動擰緊安裝組成的自動化工作站，工作平面圖如圖2所示，其視覺系統采用雙目視覺原理、通過相機拍照汽車剎車盤，運用3D算法引導ABB機器人按照設定軌跡與Bosch擰緊軸系統配合啟動擰緊軸，5個輪胎安裝螺母同步擰緊，控制界面如圖3所示。

圖2 工作平面圖

圖3 控制界面

3.2.2 數據采集

某款SUV輪胎總成裝配結構如圖4所示，車輪輪轂由5顆10.9級M12×1.5螺母緊固，產品工程師發布鋼質輪轂螺母動態扭矩為(94±4)N·m，擰緊扭矩為A類關鍵特性。生產階段，通過Bosch多軸輪胎擰緊系統,轉速：200 r/min，扭矩范圍70～320 Nm，系統扭矩等級Ⅰ精度±3%，設定擰緊扭矩為94 N·m，采用二次擰緊法實現5個螺母同步擰緊。

圖4 車輪總成裝配圖

確認聯接件、螺紋副、擰緊設備、操作方法等均處于穩定狀態下，分別通過擰緊系統控制柜實時存儲的動態扭矩對過程能力穩定性進行檢查，同時質量工程師在5 min內通過數顯扭力扳手采集30組，每組5個靜態扭矩值，記錄結果見表2。

表2 螺母靜態扭矩檢測值 N·m

3.2.3 數據分析與處理

3.2.4 過程穩定性和結果有效性的判定

對于上述采集的靜態扭矩數據，對其擰緊過程的穩定性進行SPC分析，標示靜態扭矩中心線CL、上控制限UCL、下控制限LCL，繪制圖5所示螺母的Xbar-R圖，根據SPC判異準則及表1中靜態檢測扭矩判定標準，可以看出，測量數據穩定受控，無異常。

圖5 螺母Xbar-R控制圖

根據《DB45T 1836—2018 汽車緊固件設計扭矩驗證方法及判定規則》對動態扭矩上、下限值進行變異判定，滿足靜態扭矩的名義值不超過動態扭矩下限值±20%，且滿足靜態扭矩的名義值不超過動態扭矩上限值±30%，即

4 靜態扭矩范圍的計算

由靜態扭矩數值可以看出，靜態扭矩范圍比動態扭矩范圍大，因為靜態扭矩測定過程中克服較高的靜態摩擦力，同時存在測量偏差，因此，硬連接靜態扭矩一般大于動態扭矩。

4.1 確定靜態扭矩的目標值

針對多軸擰緊系統擰緊多個工藝要求和聯接狀態基本一致的，進行合并統計數據采集計算得出，螺母1～5的動態扭矩為94 N·m，靜態扭矩為108 N·m，對于此種螺母螺紋副硬連接的特點，可以在動態扭矩的基礎上增大10%～15%，可近似定義為靜態扭矩目標值，增加的范圍根據動態扭矩目標值越大取上限值，目標值越小取下限值。

4.2 確定檢查扭矩的控制范圍

動、靜態扭矩公差值及測量值的關系如圖6所示[5]，a為動態扭矩的公差值；b為靜態扭矩的公差值；c為測量誤差值，其大小為動態扭矩目標值乘以測量誤差，其關系見表3。可以近似得出，a、b和c之間滿足a2+b2=c2。

圖6 動、靜態扭矩的關系圖

表3 連接性質與測量偏差、測量誤差的關系

在沒有采集測量數據初期，靜態扭矩范圍的初步確定可根據豐田汽車扭矩經驗公式，考慮不同的連接性質、測量誤差及測量器具精度，依據表3硬性連接值測量偏差d=15%，測量誤差e=±20%，則靜態扭矩的目標值為Td×(1+d)=94×(1+15%)=108.1≈108 N·m ，靜態扭矩的公差

式中:Td,m和Ts,m分別為動、靜態扭矩的公差，則靜態扭矩的檢測范圍為(108±19)N·m。

則對于輪轂螺母螺紋副硬性連接，靜態扭矩目標值約為動態扭矩目標值的1.1～1.15倍。根據測量誤差，動態扭矩公差和靜態扭矩公差的關系，初步計算出靜態扭矩的公差，即確定靜態扭矩的控制范圍。

5 結束語

緊固件擰緊扭矩是保證汽車裝配質量最重要關鍵特性之一，不同的連接件材料，不同的擰緊順序、擰緊速度、連接件材料硬度和表面摩擦因數，直接影響扭矩衰減程度和靜態扭矩穩定性。緊固件扭矩的控制，不僅要控制緊固過程的動態扭矩，而且靜態扭矩的過程測量和數據分析也是扭矩控制過程的關鍵。

文中對大量靜態扭矩數據進行監控和測量，強調在沒有測量數據和有一定測量數據的不同階段采用不同靜態扭矩計算方法，結合動、靜態扭矩的換算方法，驗證了經驗公式的可行性和正確性。該方法可借鑒用于新車型整車裝配扭矩開發并在確保整車裝配扭矩質量的前提下，提高準確性和可靠性。