汽車總裝環(huán)節(jié)螺栓擰緊控制工藝優(yōu)化

分類號：U464.13 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0130-03

【Abstract】From the perspective of bolt tightening processin the automotive final asembly process，this article elaborates onthe basic principles ofbolt tightening，and providesadetailed introduction to mainstream control methods such as torque controlmethod，torque anglecontrolmethod，and yieldpoint method.Finally，research is carriedouton controloptimization issues，covering torque control，torque factor，frictionfactor，and stick-slipfactor.Effectivebolt tightening control strategies are proposed to provide technical references for optimizing automotive production processes.

【Key words 】 automotive final assembly；bolt tightening;process control

0 引言

在汽車制造中的總裝環(huán)節(jié)，主要是將各零部件整合為完整車輛，而螺栓連接則是應(yīng)用最廣泛的連接方式，其品質(zhì)往往會直接影響車輛整體性能。據(jù)統(tǒng)計，轎車平均使用緊固件約4000個/輛，重型車則多達7100個/輛，其中，高強度緊固件占比約1/3，可見緊固件品質(zhì)及連接可靠性對于車輛的安全至關(guān)重要。

在國外，德國博世、美國伊利諾斯工具公司等企業(yè)，已較早開展螺栓擰緊控制技術(shù)研究，側(cè)重自動化擰緊設(shè)備的開發(fā)。國內(nèi)部分企業(yè)多聚焦于摩擦系數(shù)等單一因素對擰緊品質(zhì)的影響，研究者分析了摩擦系數(shù)與預(yù)緊力的關(guān)系，但缺乏多因素協(xié)同優(yōu)化的系統(tǒng)研究。因此，本研究將綜合扭矩因數(shù)、摩擦因素、粘滑效應(yīng)等多維度參數(shù)，系統(tǒng)分析螺栓擰緊原理及控制方法，深入探討和構(gòu)建全流程優(yōu)化策略，以更好地驗證其有效性。

1汽車總裝環(huán)節(jié)螺栓擰緊原理

螺栓擰緊的核心目的是通過施加擰緊力矩使螺栓產(chǎn)生軸向預(yù)緊力，從而將被連接件緊密結(jié)合，確保連接的可靠性。一般而言，螺栓擰緊通常會采用兩步擰緊或四步擰緊的方法[2。其中，兩步擰緊包括初擰和終擰兩個階段，如初擰旨在使連接件與螺栓之間實現(xiàn)良好接觸，確保螺栓在后續(xù)擰緊過程中受力均勻，從而避免松動或位置偏移；終擰則是將螺栓擰緊至規(guī)定的扭矩值，以保證連接的牢固性與可靠性，且在終擰過程中必須精確控制施加的扭矩，防正因過緊或過松而影響連接品質(zhì)。

事實上，不管是兩步擰緊還是四步擰緊方法，螺栓的擰緊過程一般都會經(jīng)歷4個不同的階段： ① 認帽階段，螺栓與螺母或螺紋孔開始嚙合，初步產(chǎn)生扭矩，過程中需要反復(fù)調(diào)整，以避免歪斜或卡扣；② 快速旋入階段，螺栓在此階段快速旋進，直至與連接件表面接觸并貼合； ③ 線性擰緊階段，隨著螺栓擰緊逐步產(chǎn)生線性拉伸變形，并形成軸向預(yù)緊力；④ 屈服擰緊階段，螺栓材料進入塑性變形區(qū)域，發(fā)生屈服，軸向預(yù)緊力也趨于穩(wěn)定。

在整個螺栓擰緊過程中，必須確保操作的準確性，防止出現(xiàn)螺栓歪斜、螺紋錯牙等問題，從而避免對工件表面或螺紋結(jié)構(gòu)造成損傷。同時，應(yīng)根據(jù)具體的使用環(huán)境和工藝要求，合理選擇擰緊方法及相應(yīng)的控制策略，以保障螺栓連接的品質(zhì)與可靠性。

2汽車總裝環(huán)節(jié)螺栓擰緊的主要控制方法

基于上述螺栓擰緊的基本原理，以及當(dāng)前在汽車總裝環(huán)節(jié)所應(yīng)用的螺栓擰緊方法，如扭矩控制法、扭矩轉(zhuǎn)角控制法、屈服點法等，通過介紹不同方法的應(yīng)用及控制，以明確不同方法的特點及適用場景，從而為汽車總裝提供參考。

2.1 扭矩控制法

扭矩控制法是通過控制螺栓的最終擰緊扭矩，以獲得所需軸向預(yù)緊力的一種方法，也是目前汽車總裝中應(yīng)用最廣泛的擰緊控制方法之一[3]。其原理為：當(dāng)擰緊扭矩達到預(yù)設(shè)的目標扭矩值時，擰緊工具停止工作。其中，軸向預(yù)緊力與擰緊扭矩呈線性關(guān)系，表達式為：

T=KdF

式中：T- 一擰緊扭矩， N?m . K T -扭矩因數(shù)；d. 一螺紋公稱直徑， mm ; F. —軸向預(yù)緊力， N 。

該方法的優(yōu)點是操作簡單、易于實現(xiàn)，適用于對預(yù)緊力精度要求不高的場合。但軸向預(yù)緊力受摩擦因數(shù)影響較大，當(dāng)摩擦系數(shù)波動時，預(yù)緊力離散度較大，如摩擦系數(shù)在 0.1～0.16 之間變化時，同一種工具采用同一種扭矩控制法所產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力，在上限與下限之間相差 50% 以上。擰緊過程中，受摩擦因素影響，僅有約 10% 的扭矩能轉(zhuǎn)化為軸向預(yù)緊力。

2.2 扭矩轉(zhuǎn)角控制法

扭矩轉(zhuǎn)角控制法是先將螺栓擰緊至設(shè)定的初始扭矩，使螺栓與被連接件充分貼合，隨后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)螺栓至預(yù)設(shè)的角度，以此來控制軸向預(yù)緊力的方法。該方法分為彈性區(qū)和塑性區(qū)兩類控制方式，其中，在彈性區(qū)，軸向預(yù)緊力與旋轉(zhuǎn)角度成正比；在塑性區(qū)，螺栓超過屈服點后，通過控制轉(zhuǎn)角來確保預(yù)緊力的穩(wěn)定性。其表達式為：

F=C_sPθ/360

式中： F. —軸向預(yù)緊力， N . C_s —螺栓連接剛度系數(shù)， N/mm . P. 螺距， mm ： θ? —旋轉(zhuǎn)角度，（°）。

與扭矩控制法相比，扭矩轉(zhuǎn)角控制法不受摩擦因數(shù)變化影響，預(yù)緊力精度更高、離散度小，能更充分地利用螺栓材料性能。目前，該方法適用于發(fā)動機缸蓋、底盤懸架等關(guān)鍵部位，螺栓擰緊品質(zhì)也可得到顯著提高。

2.3 屈服點法

屈服點法也被稱為斜率法，其控制機制是基于螺栓材料的屈服特性。在螺栓擰緊的初始階段，處于彈性區(qū)域內(nèi)，扭矩相對于轉(zhuǎn)角的曲線斜率保持恒定；隨著擰緊過程推進，當(dāng)螺栓接近屈服點時，曲線斜率開始發(fā)生變化。隨著螺栓進一步進人塑性變形區(qū)，扭矩與轉(zhuǎn)角之間的線性關(guān)系不再成立，此時曲線的斜率逐漸減小。當(dāng)該斜率降低到最大斜率的33%～50% 時，即可判斷螺栓已達到其屈服點。

2.4 控制方法比較

為更清晰地展現(xiàn)3種控制方法的差異，可從預(yù)緊力精度、效率、適用場景等方面進行對比，如表1所示。

表1不同控制方法參數(shù)比較

3汽車總裝環(huán)節(jié)螺栓擰緊控制優(yōu)化

通過對上述3種控制方法的分析，明確了不同方法在實際應(yīng)用中存在的局限性，因此需要從多維度對螺栓擰緊控制工藝進行優(yōu)化。

3.1 扭矩控制工藝

扭矩控制工藝優(yōu)化環(huán)節(jié)，應(yīng)通過合理設(shè)置擰緊參數(shù)，改進擰緊策略，減少預(yù)緊力的離散度，提高擰緊品質(zhì)。在控制優(yōu)化中，需先以較高速度將螺栓擰緊至目標扭矩的 60%～80% ，再以較低速度擰緊至最終目標扭矩，可有效減少扭矩衰減，提高預(yù)緊力穩(wěn)定性。

對于存在軟連接的情況，如連接件為橡膠、塑料等材料，可采用分步擰緊的操作方式，以充分釋放出連接件中的應(yīng)力，降低扭矩衰減對預(yù)緊力的影響。例如，在穩(wěn)定桿（含有橡膠襯套）連接至副車架連接螺栓的擰緊中，將原有的單步擰緊改為分步擰緊，不同擰緊步驟采用不同的轉(zhuǎn)速，預(yù)擰緊第一階段 20N?m 、預(yù)擰緊第二階段 40N?m 和終擰緊 60N?m 等步驟，使預(yù)緊力離散度有效降低，如表2所示。

表2穩(wěn)定桿至副車架連接螺栓擰緊工藝參數(shù)

注：數(shù)據(jù)來源于肇慶小鵬新能源某SUV車型穩(wěn)定桿與副車架連接螺栓的擰緊工藝試驗，試驗樣本數(shù)量為50組，通過實時采集數(shù)據(jù)，經(jīng)3次重復(fù)驗證后確定。

此外，在螺栓擰緊的動態(tài)監(jiān)控中，應(yīng)當(dāng)識別擰緊過程中的異常情況，如設(shè)定初始監(jiān)控角度和該角度范圍內(nèi)的扭矩上限值，當(dāng)擰緊曲線在監(jiān)控窗口內(nèi)超出扭矩上限時，工具自動報警，避免螺栓和螺紋孔損壞。在擰緊順序的優(yōu)化方面，主要是對多個螺栓的連接部位，采用對角、分步擰緊的順序，避免被連接件受力不均產(chǎn)生變形，影響預(yù)緊力分布。例如，副車架與車身的連接螺栓，可以采用對角預(yù)緊和整體終緊的順序，使各螺栓預(yù)緊力偏差控制在 ±5% 以內(nèi)。

3.2 扭矩因數(shù)分析

扭矩因數(shù) K 是影響擰緊力矩與軸向預(yù)緊力關(guān)系的關(guān)鍵參數(shù)，其表達式為：

式中： d. —螺紋公稱直徑， mm . 螺距， mm ： μ_s ——螺紋摩擦系數(shù)； d₂ —螺紋中徑，mm ; α^′ —螺紋牙側(cè)角； μ_w ——支承面摩擦系數(shù)；D_w —支承面等效直徑， mm 。

扭矩因數(shù)的大小受多種因素影響，包括螺紋精度、表面處理、潤滑狀態(tài)等，因此優(yōu)化扭矩因數(shù)的關(guān)鍵是減小其波動范圍，從而降低預(yù)緊力的離散度。

1）標準化表面處理工藝。采用磷化、達克羅等表面處理方式，穩(wěn)定螺紋和支承面的摩擦系數(shù)。

2）根據(jù)連接部位的工況，設(shè)計選型時，選擇含墊圈的螺栓。螺栓擰緊時，法蘭與自帶的墊圈之間進行直接摩擦，摩擦系數(shù)更加穩(wěn)定。避免因為螺栓法蘭（無墊圈的螺栓）在擰緊時，受被夾緊件的表面平整度、粗糙度及材質(zhì)的影響，導(dǎo)致總摩擦系數(shù)的波動增大，造成預(yù)緊力離散度增大。

3）提高螺紋中徑、牙型角等加工精度，減少螺 紋副的配合間隙偏差，從而穩(wěn)定扭矩因數(shù)。

3.3摩擦因素分析

摩擦系數(shù)是影響螺栓擰緊品質(zhì)的核心因素，其對預(yù)緊力的大小、散布誤差及連接可靠性均有顯著影響[4。比如，在擰緊力矩一定時，摩擦系數(shù)越小，則軸向預(yù)緊力越大，如 M10×1.25 螺栓擰緊力矩為50N?m 時，摩擦系數(shù)將從0.3減小到0.1，軸向預(yù)緊力從15kN增大至 40kN 。因此，在保證螺栓不發(fā)生自松動的前提下，減小摩擦系數(shù)可提高預(yù)緊力，增強連接可靠性。

在實際的優(yōu)化中，根據(jù)被連接件材料選擇合適的螺栓材料，減少摩擦系數(shù)波動。當(dāng)鋼質(zhì)材料與鋁質(zhì)材料連接時，要采用表面鍍鎳的螺栓，從而將摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.1～0.16范圍內(nèi)。同時，要加強清潔度控制，清除螺紋和支承面上的油污、鐵屑等雜質(zhì)，避免摩擦系數(shù)異常增大。尤其是在擰緊前，增加壓縮空氣清潔工序，使摩擦系數(shù)異常波動頻次降低。此外，要注重溫度變化下的適應(yīng)性，如在高溫環(huán)境下，采用耐高溫潤滑劑，使摩擦系數(shù)波動范圍不超過 ±0.02 。當(dāng)然，摩擦系數(shù)過小（ lt;0.08 ）也會導(dǎo)致螺栓自松動；過大（ gt;0.25 ）則會降低預(yù)緊力轉(zhuǎn)化效率，易產(chǎn)生粘滑效應(yīng)，因此總摩擦系數(shù)應(yīng)控制在0.13±0.03 范圍內(nèi)。

3.4粘滑因素分析

粘滑效應(yīng)是在螺栓擰緊過程中，由于靜摩擦與動摩擦的交替作用，導(dǎo)致扭矩和轉(zhuǎn)角出現(xiàn)周期性波動的現(xiàn)象，造成預(yù)緊力不足、螺栓松動等問題，嚴重影響連接品質(zhì)。具體而言，當(dāng)螺栓開始轉(zhuǎn)動時，靜摩擦力突然轉(zhuǎn)化為動摩擦力，摩擦力瞬間減小，螺栓轉(zhuǎn)速突然上升，由于螺栓與被連接件表面接觸狀態(tài)變化，隨后摩擦力又逐漸增大，轉(zhuǎn)速降低形成周期性的“粘-滑”循環(huán)。

針對粘滑效應(yīng)的特點，在實際優(yōu)化措施應(yīng)用中，可以側(cè)重降低擰緊速度。比如，在終緊階段采用低速擰緊，將速度控制在 5～10r/min 范圍，以減少摩擦系數(shù)的動態(tài)波動。此外，在控制摩擦系數(shù)時，可以通過表面處理和潤滑等手段，將摩擦系數(shù)控制在0.14以下。比如，采用安美特藥水處理螺栓表面后，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.1～0.13，粘滑效應(yīng)基本消除。同時，積極優(yōu)化螺栓傾角，將螺栓端面傾角控制在 0～0.25^° 范圍內(nèi)，降低擰緊過程中的應(yīng)力集中，全面減少粘滑現(xiàn)象。

4結(jié)束語

綜上所述，汽車總裝環(huán)節(jié)的螺栓擰緊控制工藝優(yōu)化，無疑是提升車輛裝配品質(zhì)和可靠性的關(guān)鍵。通過對螺栓擰緊原理、控制方法及優(yōu)化策略的系統(tǒng)分析，認為在不同的螺栓擰緊控制方法中，應(yīng)當(dāng)注重扭矩因數(shù)、摩擦系數(shù)和粘滑效應(yīng)等影響，并通過標準化表面處理、優(yōu)化潤滑劑、控制擰緊速度等措施，有效減小預(yù)緊力離散度。在抑制粘滑效應(yīng)。同時，為更好地適應(yīng)未來汽車總裝螺栓擰緊需求，還要進一步提升螺栓擰緊控制技術(shù)，實現(xiàn)向智能化、自動化方向發(fā)展，進一步提高裝配品質(zhì)的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]吳清祥.汽車總裝車間產(chǎn)品安全相關(guān)聯(lián)接過程一致性的研究及改進[J].汽車工藝與材料，2018（6）：11-19.

[2]張博，楊根科，陳德忠.汽車總裝螺栓擰緊控制工藝分析及優(yōu)化[J].機械制造，2019，57（5）：13-16.

[3]張春峰，李昱岐.基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的新能源汽車總裝螺栓擰緊異常監(jiān)測方法[J].汽車知識，2023，23（2）：247-251，256.

[4]楊萬慶，呂奉陽，謝鋒，等.摩擦系數(shù)對螺栓連接的影響分析[J].汽車實用技術(shù)，2022，47（13）：78-82.

（編輯 楊景）