發(fā)布時間：2022-04-21
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螺栓連接、焊接、鉚接和粘膠連接是汽車零部件之間主要的4種連接方式，而螺栓連接是汽車裝配領(lǐng)域重要的一種連接方式，每輛車的緊固件約有400余種，3000余個，螺栓連接質(zhì)量好壞直接影響整車裝配質(zhì)量。影響螺栓連接質(zhì)量的因素很多，主要是連接件、被連接件、擰緊工具和擰緊方法幾大因素。
一、螺栓連接理論基礎(chǔ)
螺栓連接是通過對連接件（螺栓零件）施加擰緊力矩，使其受拉伸形變產(chǎn)生軸力實現(xiàn)被連接件之間夾緊的一種連接方式。乘用車螺栓連接在設(shè)計時是通過設(shè)計連接軸力來推算擰緊力矩的。一般情況下，連接軸力下限是由結(jié)構(gòu)功能決定的，是滿足連接件端面連接強度，保證被連接件在工作過程中可靠貼合，一般是通過受力分析得到理論需要的端面壓力。連接軸力上限是保證被連接件和螺栓在工作過程中不發(fā)生脫扣、剪斷和疲勞斷裂等損壞，一般取被連接件破壞強度極限和連接螺栓零件屈服極限80%二者之間的小值，大多數(shù)情況取連接件屈服極限拉力75%~80%作為連接軸力上限。螺栓擰緊力矩與軸向力（預(yù)緊力）的關(guān)系公式：
T=T1 +T2=F0tan(φ+ρυ)d2/2+F0μ/3*(DW3-d03)/(DW2-d02)=KF0d(Ngmm)
式中：
T-擰緊力矩；
T1-螺栓副螺栓阻力矩；
T2-端面摩擦力力矩；
F0-預(yù)緊力（N）；
d-螺栓公稱直徑（mm）；
d0-螺栓外徑（mm）；
d2-螺栓中徑（mm）；
DW-與支撐面間螺母或墊圈直徑；
φ-螺栓升角；
ρυ-螺栓當(dāng)量摩擦角；
μ-螺栓與被連接件支撐面間的
摩擦系數(shù)；
K-擰緊力矩系數(shù)。
K=tan(φ + ρυ) d2/(2d) + μ/(3d)*(DW3-d03)/(DW2-d02)
（注：世界各國擰緊力矩系數(shù)均大同小異，由于擰緊力矩系數(shù)K 的確認(rèn)均以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行校正，故各不同公式的誤差均可以校正。）軸向力正比于擰緊力矩，K 值取值比較復(fù)雜，普通粗牙螺栓取0.1~0.3之間。
二、常見擰緊問題分析
汽車螺栓的裝配中常見擰緊質(zhì)量問題主要有以下4種形式：
①裝配過程中擰緊零件在規(guī)定的擰緊力矩下發(fā)生斷裂失效；
②連接件在運行過程中出現(xiàn)松動、脫落；
③ 硬連接靜態(tài)力矩檢查力矩超差；
④ 軟連接靜態(tài)力矩檢查力矩衰減。
（一）裝配過程擰緊零件斷裂分析
1.分析步驟
裝配過程中擰緊零件斷裂的原因為擰緊產(chǎn)生的軸力超過螺栓零件的極限拉伸載荷，出現(xiàn)這種問題分析從以下幾個步驟入手：
第一步：擰緊結(jié)果準(zhǔn)確性判斷；
第二步：擰緊工具測量是否準(zhǔn)確，測量精度是否滿足產(chǎn)品設(shè)計要求；
第三步：產(chǎn)品設(shè)計力矩產(chǎn)生的軸力是否超出零件的極限拉伸載荷；
第四步：擰緊零件質(zhì)量是否滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，主要對零件的拉伸強度、摩擦系數(shù)（端面摩擦系數(shù)、螺栓摩擦系數(shù)）、表面粗糙度、表面硬度進(jìn)行檢驗；
第五步：擰緊工藝策略是否合理；
第六步：現(xiàn)場工況計算分析。
2.案例分析
案例說明：生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)緊固點
螺栓斷裂，出現(xiàn)頻次為30%，為批量出現(xiàn)問題。
（1）現(xiàn)場情況收集
此點擰緊工藝力矩為90~110N·m，設(shè)定工藝目標(biāo)值為100 N·m。緊固零件為M12螺栓，螺栓拉伸強度極限為1 050N/mm2。緊固工具為電動擰緊槍，其擰緊扭矩上限為150 N·m，擰緊槍設(shè)備精度為3%。擰緊方法設(shè)定為兩步擰緊，第一步為以350r/min的速度加載至20 N·m；第二步為以30r/min的速度加載至100 N·m；擰緊結(jié)束。
（2）按步分析
第一步：擰緊結(jié)果檢測，采用數(shù)顯力矩扳手測量未斷裂的擰緊點靜態(tài)力矩10組以上。經(jīng)檢測，此點靜態(tài)力矩在90 N·m~132 N·m 之間，靜態(tài)力矩合格。
第二步：擰緊工具檢驗，采用精度為1%的動態(tài)力矩檢測儀檢驗電動擰緊槍的輸出精度，連續(xù)采集數(shù)據(jù)10組以上，驗證檢測儀所采集數(shù)據(jù)均處于電動擰緊槍工具目標(biāo)值的3%以內(nèi)。如果動態(tài)力矩檢測儀的檢測值超出97N·m~103N·m范圍，需重新標(biāo)定或者更換電動擰緊槍。
第三步：按照產(chǎn)品設(shè)計扭矩參數(shù)，反推設(shè)計扭矩產(chǎn)生的軸力上、下限，與零件拉伸強度極限進(jìn)行比較：
1）根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的尺寸要求：
K=0.10718+0.753μ
此工況為鋼對鋼連接無潤滑的前提下，其靜摩擦系數(shù)為0.15，動摩擦系數(shù)為0.1，此處按照動摩擦系數(shù)進(jìn)行換算。
K=0.10718+0.753*0.1=0.18248
在設(shè)計扭矩下產(chǎn)生的軸力為：
F0=T/Kd0=110 N·m /（0.18248*0.012m）=50233N
2）產(chǎn)品設(shè)計的極限拉力為：
F=[σ]*A=1050 N / mm2* 0.785*（122）mm2=118692N
產(chǎn)品設(shè)計的屈服拉力為極限拉力的75%~80%，為89 019N 以上；極限拉力高于設(shè)計扭矩下的軸力2倍以上，屈服拉力高于設(shè)計扭矩下的大軸力的1.5 倍以上，所以產(chǎn)品設(shè)計扭矩符合要求。
第四步：擰緊零件進(jìn)行拉力試驗，經(jīng)測試螺栓極限拉伸強度在1 050N/mm2~1100 N/mm2，滿足要求。
第五步：現(xiàn)場工況分析，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，在斷裂螺栓的被連接表面涂抹了防銹油，使得表面摩擦系數(shù)為有潤滑狀態(tài)的摩擦系數(shù)，動摩擦系數(shù)為0.05~0.1。也就是有潤滑的工況下，K值為0.1，其軸力為：
F0=T/Kd0=110N·m/(0.1*0.012m)=91667N
軸力已經(jīng)超出螺栓的屈服扭矩，如果靜態(tài)力矩達(dá)到132N·m，緊固螺栓存在斷裂風(fēng)險。
（3）整改措施
被連接件安裝之前擦拭表面，保證表面無油無水。
擰緊方法設(shè)定為三步擰緊，第一步為以350r/min 的速度加載至20 N·m；第二步為以20r/min的速度加載至100 N·m；第三步為保持100 N·m 扭矩1s。經(jīng)過以上處理，故障消除，問題解決。
（二）連接件松動、脫落
1.連接松動原因說明
螺栓緊固過程中，被連接件壓合表面隨著連接螺栓力矩加大，從微觀上觀察被連接件壓合表面凸起部位受壓力逐漸被壓平。
裝配后連接件在運行過程中出現(xiàn)松動、脫落，其主要原因為螺栓零件擰緊產(chǎn)生的軸力無法滿足連接件運行過程中的軸向沖擊載荷，致使連接松動失效。
2.分析步驟
對于此類情況，一般按照以下4步分析：
第一步：擰緊工具故障排除。
擰緊工具在使用過程中，出現(xiàn)電流低或者機械故障，引起輸出扭矩低于設(shè)定扭矩。對于此種失效模式，只要定期的監(jiān)測和檢定擰緊工具的輸出扭矩準(zhǔn)確性，即可避免此類問題。而且在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)連接零件松動、脫落，應(yīng)第一時間對擰緊工具進(jìn)行檢定，確保工具的準(zhǔn)確性。
第二步：擰緊操作排除。
對于螺栓連接，應(yīng)保證操作過程螺栓連接零件之間的垂直。此垂直包含兩部分，一是螺栓與螺母（或其他螺栓件）軸線垂直；二是工具軸線與螺栓軸線垂直。如果緊固過程出現(xiàn)不垂直的情況，會引起擰緊“ 假力”。
具體案例：在生產(chǎn)過程中，對于長螺栓（長徑比大于2.5）和螺母的連接，如果采取“螺母不動、緊固螺栓”的操作方式，易出現(xiàn)緊固過程螺栓與螺母不垂直，導(dǎo)致螺栓緊固力矩達(dá)到工藝要求，但是螺母復(fù)檢的力矩遠(yuǎn)低于緊固力矩。對于這種工況，應(yīng)該采取“螺栓不動、緊固螺母”的操作方式，減少配合段的長度，這樣在復(fù)檢螺栓和螺母時二者力矩都是合格的。
第三步：擰緊策略確認(rèn)。
對于連接件松動和脫落的擰緊質(zhì)量問題分析，如果排除了擰緊工具和擰緊操作的影響，就要從擰緊策略的制定上進(jìn)行分析。一種原因為連接件與被連接件之間在緊固過程中有鐵屑、焊渣等雜質(zhì)，但是隨著整車運行雜質(zhì)震動脫落，連接力矩衰減。另一種原因為被連接零件緊固過程表面凸起部位壓平，形成彈性反力并在零件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；但是隨著時間的增加被連接零件的凸起部位逐漸磨平，被連接件之間出現(xiàn)空隙，引起連接件力矩衰減和松動，導(dǎo)致螺栓脫落。
對于以上的情況，可以采用合適的擰緊策略進(jìn)行避免。以上面的案例為例進(jìn)行說明，擰緊工藝力矩為90~110 N·m，設(shè)定工藝目標(biāo)值為100 N·m，以前采用的擰緊方法為以350r/min的速度加載至20 N·m，再以30r/min的速度加載至100 N·m，擰緊結(jié)束。為了保證擰緊的質(zhì)量，避免螺栓松動和脫落，可以采取如下的擰緊策略。一是確認(rèn)連接件表面和被連接件表面的清潔，二是擰緊力矩至70 N·m（設(shè)定目標(biāo)值的70%），三是反轉(zhuǎn)90°（一般為30°以上），四是繼續(xù)擰緊力矩至100 N·m，保持100 N·m 力矩1s，擰緊結(jié)束。這樣可以保證擰緊質(zhì)量的可靠性。
第四步：設(shè)計扭矩值確認(rèn)。
運動過程的沖擊載荷是設(shè)計部門通過軟件模擬、路試分析、對標(biāo)總結(jié)得出的結(jié)論。在生產(chǎn)過程中如果出現(xiàn)此類問題，只要對比其它車型產(chǎn)品的類似連接點，即可判斷出此點的設(shè)計力矩合理性。
（三）硬連接靜態(tài)力矩檢查力矩超差
硬連接靜態(tài)力矩超差主要體現(xiàn)在連接后的零件，采用靜態(tài)力矩檢測其力矩值超出擰緊力矩的檢查范圍，出現(xiàn)此類問題，一般按照以下兩步分析：
第一步：工具故障排除。
電動擰緊工具、充電式擰緊工具在使用過程中可能出現(xiàn)電流（電壓）高峰脈沖，氣動擰緊工具在使用過程中可能出現(xiàn)氣壓異常或者機械故障，定值扭矩扳手在使用過程中可能出現(xiàn)機械故障，從而引起輸出扭矩高于設(shè)定扭矩。對于此種失效模式，應(yīng)第一時間通過生產(chǎn)現(xiàn)場完好的工具檢定設(shè)備檢查擰緊工具的扭矩，如果擰緊工具準(zhǔn)確性無問題，應(yīng)檢查復(fù)檢工具的準(zhǔn)確性。
第二步：工具操作分析。
對于硬連接擰緊工具通常為電動擰緊工具、充電式擰緊工具、氣動擰緊工具和定值扭矩扳手。電動工具、充電式擰緊工具、氣動擰緊工具受人為操作引起扭矩超差可能性較小，主要是定值扭矩扳手受人為操作影響較大。
目前擰緊力矩的緊固大部分采用電動擰緊槍，靜態(tài)力矩的復(fù)檢采用數(shù)顯或指針式扭矩扳手。定值扭矩扳手和數(shù)顯（指針）式扭矩扳手在使用過程中，記錄的數(shù)值一般為檢測的峰值，并不是靜態(tài)力矩值。所以，在定值扭矩扳手和數(shù)顯（指針）式扭矩扳手使用過程中應(yīng)遵循定值扭矩扳手手柄與校準(zhǔn)儀連接軸線角度偏差≤ ±3°，定制力矩扳手校準(zhǔn)過程旋轉(zhuǎn)角度≤ 10°的操作原則。而我們現(xiàn)場的操作人員一般都會存在不同程度的“過沖”現(xiàn)象，引起扭矩超差。
（四）軟連接靜態(tài)力矩檢查力矩衰減
1.原因分析
軟連接靜態(tài)力矩衰減主要體現(xiàn)在連接后零件采用靜態(tài)力矩檢測其力矩值低于擰緊力矩，出現(xiàn)此類問題的原因是由于軟連接的零件特性決定的。
軟連接在擰緊過程中和擰緊結(jié)束的很短一段時間內(nèi)，其連接件上下端面之間的部位受壓收縮，密度增加，內(nèi)應(yīng)力加大，并使得材料存在向外擴(kuò)張的趨勢。緊固穩(wěn)定后，內(nèi)部應(yīng)力平衡，被連接件受壓部分密度與未受壓部位平衡，出現(xiàn)密度降低，內(nèi)應(yīng)力釋放并平衡，連接軸力降低，扭矩出現(xiàn)衰減。
2.檢查方法
對于軟連接的擰緊力矩衰減在螺栓連接中是不可避免的，也是可以接受的。只要制定合理的擰緊方法和檢查方法，軟連接的擰緊質(zhì)量是可以保證的。
擰緊方法：選擇合適的擰緊工具，轉(zhuǎn)速不宜過快（一般加載轉(zhuǎn)速低于270r/min）；盡可能的在擰緊過程中增加一步“反轉(zhuǎn)”和“扭矩保持”的動作，釋放擰緊過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。
檢查方法：選擇質(zhì)量穩(wěn)定的零件和性能穩(wěn)定的工具，按照SPC 理論采集足夠的樣本數(shù)量進(jìn)行分析，統(tǒng)計出各連接點合理的復(fù)檢范圍，制定出合理的檢查標(biāo)準(zhǔn)。
擰緊技術(shù)作為整車裝配技術(shù)重要的一環(huán)，螺栓連接質(zhì)量受生產(chǎn)中各種因素的影響，只有不斷的深入現(xiàn)場，收集更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制定出合理的擰緊標(biāo)準(zhǔn)，才能夠保證擰緊質(zhì)量的可靠。
