螺栓連接靜態力矩控制范圍的確定方法

楊萬慶　呂奉陽　全鋒　譚哲

摘 要：靜態力矩是控制螺栓擰緊質量的有效方法，通過經驗公式或統計分析可以把不便測量的動態力矩轉化為可測量可復驗的靜態力矩。在介紹螺栓連接分類和動、靜態力矩定義的基礎上，給出了確定螺栓連接靜態力矩控制范圍的兩種方法：經驗公式法和統計分析法。經驗公式法考慮了連接性質、測量偏差和測量誤差的影響，用于初步確定靜態力矩。統計分析法基于測量數據和SPC確定靜態力矩，更加符合實際情況。

關鍵詞：螺栓連接 動態力矩 靜態力矩

1 引言

扭矩法是螺栓連接應用最廣的擰緊方法。靜態力矩是檢查螺栓擰緊質量的主要手段。由于不同連接材料的力矩衰減規律不同，靜態力矩與動態力矩存在偏差，簡單按動態力矩控制范圍進行靜態力矩管理，可能會導致檢測合格率偏低或引起生產管理成本增加。放寬靜態力矩要求，將導致生產一致性差，螺栓連接可靠性降低。為了控制螺栓擰緊質量和生產穩定性，需要對靜態力矩控制范圍進行研究。

2 螺栓連接分類

靜態力矩與被連接件的材料密切相關，被連接件的剛度、硬度、表面狀態會影響靜態力矩測量結果。根據連接性質螺栓連接可以分為三類：硬連接、軟連接和中性連接[1]。

硬連接是指被連接件硬度大、剛性大、表面光滑且貼合度高。擰緊時，螺紋副達到貼合點后旋轉30°以下就能達到目標力矩。擰緊后，有可能出現過擰緊現象。

軟連接是指被連接件自身材質較軟或連接件中間夾有橡膠件等彈性材料。擰緊時，在螺紋副達到貼合點后需要繼續旋轉720°以上才能達到目標力矩。擰緊后存在力矩衰減。

中性連接是指介于軟連接和硬連接之間的連接。中性連接擰緊后一般不會出現力矩衰減或過擰緊現象。

3 動態力矩和靜態力矩

動態力矩是緊固件在被緊固過程中測量得到的最大峰值。扳手和動力工具都可以施加動態力矩，動態力矩是在緊固的過程中測量的。動態力矩所產生的軸向預緊力滿足設計上對預緊力的要求。設計部門給出的設計力矩、產品圖紙標注的圖紙力矩、指導擰緊工具設定的工藝力矩，都屬于動態力矩。

靜態力矩是在緊固件被緊固好之后，將其在擰緊方向上繼續旋轉的瞬間所需要的力矩。靜態力矩是在緊固之后測量的，用來監控生產過程的穩定性。靜態力矩也稱為檢查力矩、再擰緊力矩、增固力矩等。

根據統計規律和汽車行業經驗，靜態力矩和動態力矩的關系如下：對于硬連接，靜態力矩大于動態力矩;對于軟連接，靜態力矩小于動態力矩;對于中性連接，靜態力矩接近于動態力矩[2]。

4 靜態力矩控制范圍的確定方法

4.1 經驗公式法

4.1.1 靜態力矩的影響因素

采用經驗公式計算靜態力矩的影響因素主要有：連接性質、測量偏差和測量誤差。連接性質分為硬連接、中性連接和軟連接，與被連接件材料有關;測量偏差是指按擰緊法測量，靜態力矩名義值與動態力矩名義值的偏差;測量誤差是指測量工具和人員操作引起的靜態力矩測量誤差。

連接性質與測量偏差和測量誤差的關系如表1所示[3]。

4.1.2 計算靜態力矩名義值

靜態力矩名義值可以根據動態力矩與連接性質確定，經驗公式如下：

? ?式（1）

式中，CL—靜態力矩名義值;T—動態力矩名義值;d—測量偏差，與連接性質有關，硬連接取0.15，中性連接取0.10，軟連接取0.05。

4.1.3 計算靜態力矩控制范圍

動態力矩和靜態力矩的公差值及測量值的關系如圖1所示，a為動態力矩的設計公差;b為靜態力矩的測量公差;c為測量誤差值，其大小為動態力矩名義值乘以測量誤差。可以近似得出，a、b、c之間滿足：

? 式（2）

靜態力矩測量公差：

? 式（3）

式中，a—動態力矩設計公差;b—靜態力矩測量公差;T—動態力矩名義值;e—測量誤差，與連接性質有關，硬連接取0.20，中性連接取0.25，軟連接取0.40。

靜態力矩規格上限：

式（4）

靜態力矩規格下限：

式（5）

為了提高生產一致性和螺栓連接可靠性，一般按規格力矩控制范圍的75%設定控制限，也稱為管理力矩，靜態力矩管理上限為：

式（6）

靜態力矩管理下限為：

式（7）

4.1.4 靜態力矩控制圖

根據靜態力矩規格限和控制限，可以繪制靜態力矩控制圖，如圖2所示。靜態力矩測量值如果在控制限范圍內，說明生產過程穩定無異常。如果超出控制限，需要進行觀察分析。如果超出規格限，則必須采取行動措施進行改善。

4.2 統計分析法

4.2.1 數據收集

在靜態力矩數據收集前，需要對測量工具進行驗證，通常先記錄5次動態力矩數據與名義值進行比較，滿足差值在5%以內才能開展靜態力矩測量，數據收集完成后再次對測量工具進行驗證，前后驗證通過才能判斷數據收集有效[4]。

一般收集30個數據，采樣頻率為每班次收集3個樣本，連續收集10個班次，即子組容量為3，子組數量為10。

某車型前減震器安裝螺栓動態力矩為70±7Nm，靜態力矩收集數據如表2所示。

4.2.2 數據分析和處理

計算每一個子組的均值與極差R：

? ? ?式（8）

式（9）

式中，—子組內的第i個測量值;—子組內的最大測量值;—子組內的最小測量值;—子組的樣本容量。

計算過程均值與平均極差：

式（10）

式（11）

式中，—第i個子組的均值;—第i個子組的極差;—子組的數量。

計算均值和極差控制限：

式（12）

式（13）

式（14）

式（15）

式中，、、為計算常數，可通過SPC手冊查表確定，如表3所示。

計算靜態力矩的規格限：

式（16）

式（17）

式（18）

式中，—數據樣本的標準差;—過程能力指數，受控條件下，1.33;—計算常數，可通過SPC手冊查表確定。

4.2.3 繪制均值和極差控制圖

根據表2、表3和公式8-11，可以確定前減震器安裝螺栓靜態力矩均值為73.9，極差均值為4.1，=1.023、=0、=2.574。

均值控制限為：

=78.1

=69.7

極差控制限為：

=10.6

=0

根據表2數據和均值、極差控制限計算結果，繪制均值控制圖和極差控制圖如圖3、圖4所示。

4.2.4 分析結果評價

靜態力矩規格范圍需滿足兩個條件才能釋放：1）靜態力矩公差與靜態力矩名義值的比值小于35%;2）動、靜態力矩名義值的差值與動態力矩名義值的比值小于15%。如不滿足要求，應優化擰緊工藝或重新設定動態力矩。

根據公式16-18，計算前減震器安裝螺栓的靜態力矩規格上限為：USL=84;規格下限為：LSL=64;規格力矩范圍為：74±10。條件1）校核：10/74=14%<35%，合格;條件2）校核：（74-70）/70=6%<15%，合格。故靜態力矩規格范圍符合釋放要求。

5 結語

本文給出了確定螺栓連接靜態力矩控制范圍的兩種方法：經驗公式法和統計分析法。試生產階段，沒有測量數據或數據樣本較少時，可以采用經驗公式法初步確定靜態力矩，經驗公式法考慮了連接性質、測量偏差和測量誤差，計算方便，能夠給出靜態力矩范圍。批量生產階段，有一定測量數據后，推薦采用統計分析法，更加符合實際情況。

參考文獻：

[1]馬天德，楊廣洲，王猛. 車門鉸鏈螺栓靜態扭矩計算方法[J].北京汽車，2018（01）：26-29.

[2]李同科，簡學利. 動、靜態扭矩在汽車裝配扭矩控制中的應用[J].汽車工藝與材料，2010（04）：33-37.

[3]彭守桃，李平. 汽車輪轂螺母擰緊扭矩分析及質量控制[J].汽車零部件，2021（02）：50-54.

[4]徐友誼，林勇，龔龍強，黃耀，甘濤. 總裝車間扭矩管理模式淺析[J].自動化應用，2019（10）：30-34.