本文詳細(xì)介紹了螺紋緊固件裝配方法及裝配分級(jí)技術(shù)，擰緊時(shí)根據(jù)實(shí)際聯(lián)接結(jié)構(gòu)的要求，選擇最合適的方法及工藝，并舉例說(shuō)明了先進(jìn)裝配技術(shù)的應(yīng)用，在提升可靠性的同時(shí)，可減小螺栓規(guī)格，使聯(lián)接結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)降重、降成本的目的，在汽車輕量化上具有重要意義。

　　1. 前 言

　　螺紋聯(lián)接是汽車零部件四種常用的聯(lián)接方式之一，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、聯(lián)接可靠，且裝配方便、易拆卸、重復(fù)使用性好，故是汽車制造技術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的機(jī)械零件，也是汽車制造中較經(jīng)濟(jì)的制造手段之一。

　　在乘用車上平均每車用螺紋緊固件約500種4000個(gè)，重50kg；而在商用車上平均每車使用的螺紋緊固件約為7000個(gè)，重88kg，其中高強(qiáng)度螺栓占1/3。一臺(tái)汽車上的螺紋緊固件費(fèi)用約占整車成本的2.5%，而裝配線上的螺紋緊固件聯(lián)接的工作量占70%，足見(jiàn)其重要性。

　　2. 裝配方法

　　螺紋聯(lián)接的目的是通過(guò)擰緊螺栓/螺母，將被聯(lián)接件可靠的聯(lián)接在一起，裝配的實(shí)質(zhì)是控制擰緊過(guò)程中的軸向預(yù)緊力，軸向預(yù)緊力的要求是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和材料工藝水平的綜合體現(xiàn)。

　　螺紋緊固件在擰緊時(shí)，需要克服螺紋間摩擦和支撐面摩擦，以六角頭螺栓為例，擰緊時(shí)只有約10%的能量用于提供軸向預(yù)緊力，其余90%的能量都用于克服摩擦力。而在實(shí)際裝配過(guò)程中直接對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行測(cè)量監(jiān)控是很困難的，只能間接控制。

　　擰緊扭矩、轉(zhuǎn)角和伸長(zhǎng)量等與軸向預(yù)緊力有一定的關(guān)系，通過(guò)控制這些參數(shù)以實(shí)現(xiàn)間接控制預(yù)緊力是螺紋擰緊技術(shù)的基本原理。

　　典型的螺紋緊固件的裝配方法有四種：扭矩法、扭矩-轉(zhuǎn)角法、屈服點(diǎn)法、伸長(zhǎng)量法。

　　2.1 扭矩法

　　扭矩法是應(yīng)用最廣泛的一種控制方法，根據(jù)螺栓軸向預(yù)緊力與擰緊扭矩之間的基本關(guān)系，通過(guò)控制擰緊扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)緊力的控制，一般多用在彈性區(qū)，如圖1所示。

圖1 扭矩法

　　擰緊扭矩T與軸向預(yù)緊力F的關(guān)系為：

　　式中，T:擰緊扭矩，F(xiàn):軸向預(yù)緊力，P:螺距，α:牙側(cè)角，d₂：螺紋中徑，d_W：支撐面等效摩擦直徑，μ_S：螺紋摩擦系數(shù)，μ_W：支承面摩擦系數(shù)。

　　扭矩法裝配時(shí)，由于受摩擦系數(shù)的影響，軸向預(yù)緊力波動(dòng)大，且未能充分利用材料潛能，螺栓強(qiáng)度利用率低，但因其操作簡(jiǎn)單、成本低，且對(duì)于絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接還是有效的，故仍是最常用的裝配方法。

　　2.2 扭矩-轉(zhuǎn)角法

　　扭矩-轉(zhuǎn)角法是在擰緊時(shí)達(dá)到規(guī)定的起始扭矩后（即貼合扭矩），再轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋件達(dá)到規(guī)定的角度。此種方法基于一定的角位移使螺栓產(chǎn)生一定的軸向伸長(zhǎng)及被聯(lián)接件被壓縮，結(jié)果產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度需事先通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)來(lái)獲得。

　　常用的扭矩-轉(zhuǎn)角法有兩種，一種是將螺紋緊固件擰緊到彈性區(qū)范圍，如圖2a所示，轉(zhuǎn)角與軸向預(yù)緊力的關(guān)系如下：

　　式中：θ：轉(zhuǎn)角，F(xiàn)：軸向預(yù)緊力，P：螺距，C₁：螺栓剛度，C₂：被聯(lián)接件剛度。螺栓的軸向預(yù)緊力與系統(tǒng)剛度有關(guān)。

　　另一種是螺紋聯(lián)接件被擰緊到屈服點(diǎn)以上，即塑性區(qū)范圍，如圖2b所示，此時(shí)軸向預(yù)緊力與螺栓的強(qiáng)度有關(guān)。

圖2 轉(zhuǎn)角與預(yù)緊力的關(guān)系圖

　　扭矩-轉(zhuǎn)角法在擰緊過(guò)程中，摩擦系數(shù)對(duì)擰緊質(zhì)量的影響小（僅影響達(dá)到貼合扭矩時(shí)的階段，對(duì)角度控制階段無(wú)影響），可得到比較高的預(yù)緊力，且預(yù)緊力的離散度?。粩Q緊到塑性區(qū)時(shí)，能充分利用螺栓的承載能力，挑出質(zhì)量有問(wèn)題的螺栓。

　　但該種擰緊方法操作復(fù)雜，成本高，不適用于小轉(zhuǎn)角的短螺栓；由于預(yù)緊力較大（尤其是擰緊到塑性區(qū)），對(duì)塑性差的螺栓及反復(fù)使用的場(chǎng)合，需考慮其適用性。

　　2.3 屈服點(diǎn)法

　　屈服點(diǎn)法，也稱扭矩斜率法，是通過(guò)監(jiān)測(cè)擰緊過(guò)程中扭矩隨角度變化曲線的斜率，將螺紋件擰緊至屈服點(diǎn)的方法。

　　在擰緊過(guò)程中，擰緊曲線從彈性區(qū)到塑性區(qū)，扭矩與角度的線性關(guān)系發(fā)生變化，斜率也發(fā)生變化。當(dāng)斜率的變化達(dá)到某一范圍，就認(rèn)為是達(dá)到屈服點(diǎn)，如圖3所示。

圖3  屈服點(diǎn)法

　　屈服點(diǎn)法的擰緊質(zhì)量（預(yù)緊力離散度）只與螺栓的屈服強(qiáng)度有關(guān)，不受摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)角起始點(diǎn)的影響，可提高裝配精度；因?qū)⒙菟〝Q緊至其屈服點(diǎn)，可最大限度的發(fā)揮螺栓的能力。

　　缺點(diǎn)是需使用具有運(yùn)算功能的自動(dòng)擰緊機(jī)，控制系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格高，對(duì)螺栓的材料、結(jié)構(gòu)和熱處理要求很高，一般應(yīng)用于要求比較高的裝配部位。

　　2.4 伸長(zhǎng)量法

　　伸長(zhǎng)量法，是用測(cè)微儀或超聲波等手段，測(cè)量擰緊過(guò)程中或擰緊結(jié)束后螺栓的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，利用預(yù)緊力與螺栓長(zhǎng)度變化量的關(guān)系，控制軸向預(yù)緊力的一種方法。

　　在彈性變形范圍內(nèi)，軸向預(yù)緊力與螺栓的受力橫截面面積、伸長(zhǎng)量和強(qiáng)度有關(guān)，即：

　　式中：δ_b：伸長(zhǎng)量，F(xiàn)：軸向預(yù)緊力，C_b：螺栓剛度，l_e：螺栓有效長(zhǎng)度，E_b：螺栓彈性模量，A_b：螺栓橫截面面積。

　　螺栓的強(qiáng)度等級(jí)和尺寸確定后，預(yù)緊力僅與螺栓伸長(zhǎng)量有關(guān)，可排除摩擦系數(shù)、接觸變形、被聯(lián)接件變形等可變因素的影響，因此可以獲得最高的控制精度，被用作重要螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力控制方法。

　　但是測(cè)量裝置（如測(cè)微儀、超聲波等）在具體的聯(lián)接結(jié)構(gòu)上實(shí)施不方便，且影響生產(chǎn)節(jié)拍，所以在汽車行業(yè)上至今尚未廣泛采用。在實(shí)驗(yàn)室條件下，伸長(zhǎng)量法是用于校準(zhǔn)、標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)不可少的手段。

　　螺紋聯(lián)接的四種方法裝配方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，擰緊時(shí)要根據(jù)實(shí)際聯(lián)接結(jié)構(gòu)確定，要明確被聯(lián)接件的要求、軸向預(yù)緊力的精度需求和控制方法的應(yīng)用場(chǎng)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析選擇最合適的方法。

　　3. 裝配分級(jí)

　　目前國(guó)內(nèi)外汽車廠家對(duì)螺紋緊固件的裝配進(jìn)行分級(jí)。國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/T 518中將緊固件的擰緊精度分為3個(gè)等級(jí)，規(guī)定了不同；大眾公司對(duì)屈服點(diǎn)以下的裝配，分為4個(gè)等級(jí)；DEUTZ公司根據(jù)擰緊后夾緊力的波動(dòng)范圍，將裝配分為3級(jí)；對(duì)于扭矩法裝配，奔馳公司分為3級(jí)，豐田公司分為5級(jí)。一汽集團(tuán)將扭矩法裝配分為4級(jí)。

　　螺栓裝配等級(jí)提高時(shí)，擰緊扭矩的波動(dòng)范圍減小，軸向預(yù)緊力增大，螺紋聯(lián)接的可靠性提高；當(dāng)夾緊力要求不變時(shí)，可減小螺栓的尺寸，實(shí)現(xiàn)減重，并使聯(lián)接結(jié)構(gòu)緊湊。

　　4. 在汽車輕量化上的應(yīng)用實(shí)例

　　4.1 扭矩-轉(zhuǎn)角法

　　某乘用車副車架與車身聯(lián)接位置，螺栓規(guī)格M14×1.5×85，10.9級(jí)，摩擦系數(shù)μ=0.18-0.14，采用扭矩法裝配，擰緊力矩（110±20）Nm，最小軸向預(yù)緊力為34kN。

　　當(dāng)采用扭矩-轉(zhuǎn)角法裝配時(shí)，可選用M12的螺栓，擰緊工藝70Nm+180°，擰緊至屈服，最小軸向預(yù)緊力為44kN，滿足使用要求。不同裝配方法下的螺參數(shù)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

　　表1 不同裝配方法下螺栓參數(shù)對(duì)比

　　采用扭矩-轉(zhuǎn)角法擰緊后，螺栓的使用率提高，裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性也提升，并可相應(yīng)的減小螺栓的規(guī)格（M14→M12），實(shí)現(xiàn)降重（36g），并可相應(yīng)的降低成本。

　　4.2 裝配分級(jí)

　　以商用車某聯(lián)接結(jié)構(gòu)為例，目前使用的是10.9級(jí)、摩擦系數(shù)μ=0.18-0.14、M14×1.5×70的六角法蘭面螺栓，當(dāng)采用FN4級(jí)裝配時(shí)，軸向預(yù)緊力為（31-77）kN，預(yù)緊力的離散度大，當(dāng)裝配等級(jí)提高至FN1級(jí)時(shí)，軸向預(yù)緊力為（73-87）kN，離散度顯著減小，最小軸向預(yù)緊力為73kN，是FN4級(jí)裝配的2.35倍（圖4a），可大幅提升螺栓利用率，并極大提升裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性。不同裝配風(fēng)機(jī)下螺栓參數(shù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4  不同裝配等級(jí)下的擰緊扭矩和軸向預(yù)緊力

　　表2 不同裝配等級(jí)下螺栓參數(shù)對(duì)比

　　若FN4級(jí)裝配時(shí)的最小軸向預(yù)緊力（31kN）滿足該聯(lián)接結(jié)構(gòu)的使用要求時(shí)，采用FN1級(jí)裝配可將螺栓規(guī)格減小到M10，最小軸向預(yù)緊力33kN，如圖4b所示。

　　在此情況下，因螺栓規(guī)格減小，單個(gè)螺栓可實(shí)現(xiàn)降重66g，該聯(lián)接結(jié)構(gòu)共裝配了10個(gè)螺栓，單車可實(shí)現(xiàn)降重660g，并可實(shí)現(xiàn)降低成本。

　　5. 結(jié)論

　　本文介紹了汽車螺紋緊固件常用的裝配方法，并介紹了裝配分級(jí)的技術(shù)，在實(shí)際擰緊時(shí)，實(shí)際聯(lián)接結(jié)構(gòu)的要求，可選擇最合適的方法及工藝。

　　采用了扭矩-轉(zhuǎn)角法和裝配分級(jí)技術(shù)，可提升裝配可靠性，提高螺栓使用率，在預(yù)緊力要求不變的情況下，減小螺栓的規(guī)格，并使聯(lián)接結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)降重、降成本，在汽車輕量化方面具有重要意義。