螺纹紧固件拧紧力矩控制与试验研究

螺纹紧固件拧紧力矩控制与试验研究

贾昌军  ,柳迁昆 ,张东生

精诚工科汽车零部件（日照）有限公司  山东省日照市276800

保定长城华北汽车有限责任公司河北保定市074000

精诚工科汽车零部件（日照）有限公司山东省日照市276800

摘要：螺纹紧固件便于安装和拆卸，同时能够重复使用，在机械设备制造中有广泛的应用。使用方便的同时其缺点也比较明显，当螺纹紧固件的应用环境振动与冲击较多，或者长时间处于工作状态时，螺纹紧固件容易出现松动的问题，从而对相关机械设备的正常运行产生影响，降低机械设备的安全可靠性。作为一个将多个功能元件连接为一个机械部分的关键零件，如果出现松动脱落问题会极大的影响设备的可靠性，而汽车作为应用螺纹紧固件较多的设备，一旦出现问题会威胁乘车人的生命安全。因此本文针对汽车用螺纹紧固件进行拧紧分析，分析螺纹紧固件的拧紧措施，同时对螺纹紧固件的拧紧质量控制进行研究，对螺纹紧固件在汽车零部件中的装配有一定参考价值。

关键词：汽车;螺纹紧固件;扭矩

1、螺栓拧紧的方法的介绍

1.1扭矩控制法（T）

扭矩控制法是最开始同时也是最简单的控制方法，它是当拧紧扭矩达到某一设定的控制值Tc时，立即停止拧紧的控制方法。它是基于当螺纹连接时，螺栓轴向预紧力F与拧紧时所施加的拧紧扭矩T成正比的关系。它们之间的关系可用：T =K F 来表示。其中K为扭矩系数，其值大小主要由接触面之间、螺纹牙之间的摩擦阻力Fμ来决定。在实际应用中，K值的大小常用下列公式计算：K=0.161p+0.585μd2+0.25μ（De+Di）其中：p为螺纹的螺距;μ为综合摩擦系数;d2为螺纹的中径;De为支承面的有效外径;Di为支承面的内径。有试验证明，一般情况下，K值大约在0.2-0.4之间，然而，有的甚至可能在0.1-0.5之间。故摩擦阻力的变化对所获得的螺栓轴向预紧力影响较大，相同的扭矩拧紧两个不同摩擦阻力的连接时，所获得的螺栓轴向预紧力相差很大。此外，由于測量方法的不同，测量时环境温度的不同等，对扭矩系数K也有很大的影响，从而更加增大了F的离散度。日本住友金属工业公司通过试验说明了环境温度每增加1℃，其扭矩系数K就下降0.31%。有试验表明，在拧紧转向架牵引电机通风盖板的螺栓时，用相同的扭矩拧紧，其螺栓轴向预紧力的数值相差最大可能达一倍。扭矩控制法的优点是：控制系统简单，易于用扭矩传感器或高精度的扭矩扳手来检查拧紧的质量。其缺点是：螺栓轴向预紧力的控制精度不高，不能充分利用材料的潜力。

1.2扭矩—转角控制法（TA）

又称超弹性控制法扭矩—转角控制法是在扭矩控制法上发展起来的，应用这种方法，首先是把螺栓拧到一个不大的扭矩后，再从此点始，拧一个规定的转角的控制方法。它是基于的一定转角，使螺栓产生一定的轴向伸长及连接件被压缩，其结果产生一定的螺栓轴向预紧力的关系。应用这种方法拧在转向架轮装制动盘螺栓时，采用双头电动拧紧工艺，当2条对角紧固的螺栓力矩达到15±1Nm范围内时程序开始启动计算螺栓转角，电子力矩扳手对螺栓的转角进行计算和判断。当螺栓旋转至32.5°±5%度时开始判断力矩值，最终紧固后的力矩值在130-190Nm之间判定为合格。这是扭矩—转角控制法在转向架零部件上典型的应用案例。其与扭矩控制法最大的不同在于：扭矩控制法通常将最大螺栓轴向预紧力限定在螺栓弹性极限的90%处，而扭矩—转角控制法最理想的是控制在屈服点偏后。扭矩—转角控制法螺栓轴向预紧力的精度是非常高的。扭矩—转角控制法的优点是：螺栓轴向预紧力精度高，可以获得较大的螺栓轴向预紧力，且其数值可集中分布在平均值附近。其缺点是：控制系统较复杂，要测量扭矩和转角两个参数，质量部门不易找出适当的方法对拧紧结果进行检查。

2、预紧力控制方法

现阶段控制预紧力的方法有多种，其中常用的方法是扭矩法，即在螺母或者螺栓的端部施加紧固扭矩，当摩擦系数增加，摩擦力增加，从而使预紧力增加。因此可以采取增加摩擦力的方法来增加预紧力，具体方法包括如下3种。

    2.1两螺母对顶拧紧

通过将两个螺母对顶拧紧之后，能够使两个拧紧的螺母同时受到摩擦力与压力的作用，并且这种受力状态能够一直维持，从而能够改善螺栓松动情况，减小螺栓松动概率。在具体操作过程中，先将内侧的螺母使用4/5的安装扭矩进行拧紧，之后使用全部的安装扭矩将外侧螺母拧紧，通过采取这种方式能够使两个螺母的贴合程度非常高，并且拥有足够的摩擦系数，从而使摩擦力足够大，能够使螺纹紧固件的预紧力达到要求，确保螺栓不会轻易松动，保证连接构件工作的可靠性。

    2.2非金属嵌件锁紧螺母

非金属嵌件锁紧螺母在金属螺母的端部嵌有一个尼龙垫圈，其中尼龙垫圈的内径需要大致等于金属螺母螺纹的小径。螺母在旋入螺栓的过程中，尼龙垫圈没有螺纹，但由于挤压会被挤出螺纹，同时由于尼龙垫圈具有较好的弹性，因此在螺栓旋紧时能够与螺栓间形成较为稳定的摩擦力，从而保证预紧力达标，使螺栓连接足够紧固。

    2.3全金属锁紧螺母

全金属锁紧螺母主要是在金属螺母本体的端部上进行开槽处理，然后再进行收口或者非圆收口处理，经过处理之后的螺母螺纹在局部区域会出现变形的情况，从而使螺纹之间的摩擦力增加，增大预紧力，确保连接质量。

3、实际应用

以某公司生产的前轮边总成为例，其在安装制动器总成的过程中，给出的图纸中用于连接的螺栓机械性能为10.9，尺寸为M12×1.25。这款型号的连接螺栓紧固扭矩为120±10N·m，但在实际装配时却发现，有将近一半数量的螺栓在达不到紧固扭矩的情况下就会出现拉长的问题。初步判断是螺栓的质量不达标，但对螺栓进行检验后，发现螺纹紧固件的抗拉强度与硬度都能够满足国家标准要求。之后对设计图纸中的相关内容参数进行分析，发现设计图纸中使用的是传统的标准，因此在确定扭矩系数时，是基于高摩擦系數的情况。但目前的汽车行业普遍使用的是低摩擦系数，传统的采用高摩擦系数计算得到的紧固扭矩已经不符合要求，因此进行相应调整。对汽车制动器总成安装过程中使用的螺栓进行具体分析，如果按照原来的汽车行业标准，采用的是高摩擦系数，得到扭矩系数为0.284，标准扭矩大小为145N·m，经计算得到预紧力的大小为42547N，满足材料的屈服强度。如果按照现行的汽车行业标准，采用的是低摩擦系数，在理论最小值0.08时，得到扭矩系数为0.11，假如继续使用标准扭矩，则预紧力为109848N，超出材料本身的屈服强度一倍多。参照相关设计手册与国家标准，确定紧固扭矩的计算方法，进行重新计算便验证，最终确定本文研究的制动器安装总成使用的连接螺栓等级为10.9级，尺寸为M12×1.25，标准紧固力矩大小去100N·m。根据重要程度的不同，取Ⅱ级精度作为本文研究的连接螺栓的拧紧精度等级，得到的扭矩比为0.818，最终将扭矩定在90～110N·m之间。在使用螺栓紧固件对零部件进行装配的过程中，使紧固扭矩介于这个范围内即可，这样不但能够使螺栓的轴向预紧力达到要求，同时螺栓在承受施加在螺栓上的力时，不会出现螺栓变形以及断裂等问题，从而使被连接的目标构件可靠性有所保障，能够安全稳定运行。

结语：汽车底盘作为汽车的重要组成部件，其结构件连接的可靠性至关重要。本文通过对汽车螺纹紧固件的拧紧质量进行分析研究，对紧固扭矩计算过程中相关参数进行确定，同时结合实践检验，表明能够明显改善螺栓的紧固质量，对产品的批量生产具有重要帮助。

参考文献：

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