合理控制装配扭矩的方法有哪些？

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螺纹联接是汽车零部件之间四种常用联接方式（螺纹联接、焊接、铆接和粘胶联接）之一，它具有精度高、装配方便、零件拆装方便等优点，目前汽车零部件装配工艺的主要方式，也是标准化程度最高的机械零件。

螺纹联接的失效是机器常发性故障之一，也是造成整机失效的重要原因，其装配质量是决定汽车产品质量和性能的重要环节。

因此，如何正确地运用拧紧技术，合理控制装配扭矩是各大OEM新车型开发过程中的重要工作。

一、螺栓紧固的机理分析

1、扭矩控制的实质

螺纹联接，特别是承受动载荷的重要螺纹联接，其根本目的是要利用螺纹紧固件将被联接件可靠地联接在一起。装配拧紧或者说装配扭矩控制的实质，是要将螺栓的轴向预紧力控制在适当的范围内。

螺栓插入被连接件，利用螺母或内螺纹拧紧使螺栓拉伸变形，这种弹性变形产生了轴向的拉力，将被夹零件挤压在了一起，称为预紧力。

理论上来讲，轴向预紧力越大，其抗松动和抗疲劳性能越好，当预紧力达到或接近螺栓的屈服强度时效果最好。

2、预紧力与扭矩的关系

扭矩法是通过控制装配拧紧扭矩的方法来间接地实施轴向预紧力的控制。螺栓的拧紧扭矩M和螺栓的轴向预紧力F之间存在如下的基本关系：

M=KDF

式中M—拧紧扭矩，K—扭矩系数，F=预紧力，D为螺纹公称直径。

在经验设计中，扭矩系数K值一般取0.2，但实际上，K值不是一个常数，而是一个取决于螺纹精度等其他条件的变量。在一般批量装配条件下，根据螺纹精度、材质、表面状态及润滑条件等不同，同一联结的K值可以在0.1—0.5甚至更宽的范围变化，通常，螺纹制造精度越高，表面处理及润滑条件越稳定，则K值越稳定（散差小），反之，散差就大。

当考虑K值的散差后，为了达到预紧力的设计要求，螺栓拧紧扭矩的上下限可由下式决定：

Mu=KLDFU

ML=KUDFL

FU 、FL—设计要求的轴向预紧力上下限；

KU 、KL—具体工艺条件下K值上下限；

上式说明，在螺纹联结的设计（螺纹直径D和轴向力FU 、FL ）确定后，K值的散差越大，则装配扭矩的控制越严（Mu-ML越小）。同样，在扭矩控制精度（Mu、ML）确定的情况下，K值的散差越大，则轴向力越分散，螺纹连接的可靠性越差。

3、预紧力与转角的关系

拧紧过程中要转动紧固件，预紧力与紧固件的转角又是什么关系呢？

从螺纹的运动学和拧紧紧固件以及被联结件的受力状态分析可知，在拧螺栓或螺母时的开始阶段，转角不会产生预紧力，只有当连接件端面接触到被连接件时才开始产生预紧力，且只有完全贴合时，F与θ才有线性关系，预紧力与转角的基本关系如下式：

F=CPθ

（F—预紧力，C综合刚度系数，P螺距，θ螺栓头转过的角度）。

4、扭矩与转角的关系——扭矩与转角的增量比

从装配过程中的拧紧过程可知，当螺栓从旋入开始至接合面开始接触，此时只要螺纹精度合格无磕碰伤，则旋入扭矩几乎为0或很小。然后进入贴合阶段，开始克服部分制造误差和接触面粗糙度，同时还要克服被夹紧零件的弹形变形和塑性变形。这一段区域的扭矩上升与转角的变化是非线性关系，而且扭矩值的上升相当快。然后进入近似弹形变形阶段，此时扭矩与转角是一种线性关系，转角的增加量即代表变形的增加量，与预紧力的变化成正比。当预紧力达到螺栓的屈服点时，由于螺栓开始进入塑性变形。此时只要很小的扭矩增量，螺栓就有较大的伸长，从而使转角的增量变得很大。所以扭矩增量与转角增量比值就大大减小了，这说明到了屈服点了。这个变化过程可以用如图1的变化曲线来表示。

▲图1 扭矩转角关系曲线图

▲图2 扭矩转角增量比关系曲线图

在图1中，转角Φ1处即为贴合力矩M1，从这一点开始，按设定的转角增量间隔测量扭矩增量，计算ΔM/ΔΦ值，在正常的弹形变形阶段，基本上保持一个常量值C，如图2所示。当拧紧至角度Φ2时，进入螺栓的屈服点，在相同转角增量ΔΦ的情况下，力矩的增量大幅度降低为ΔM，当ΔM/ΔΦ降至C值的1/2~1/3时，即可认为螺栓预紧力达到螺栓的屈服极限，并立即停止拧紧过程。试验表明，螺栓达到破坏断裂时的总伸长量为屈服点时的伸长量的4~5倍，即还有一段相当长的塑性变形阶段。因此，仍具有足够的安全系数。理论研究和实践都证明，螺栓（尤其是高强度螺栓）拧紧至屈服强度极限时，可以最大限度的发挥螺栓的潜能。

二、几种典型的装配扭矩控制方法

在装配中一般采用五种比较典型装配扭矩控制方法，它们是扭矩直接控制法、扭矩控制—转角监控法、转角控制—扭矩监控法、屈服点控制法、螺栓长度法。

1、扭矩直接控制法（T）

扭矩直接控制法是根据螺纹副的扭矩M 与螺栓轴向预紧力F之间的关系而在生产中发展起来，是应用最广泛的一种扭矩控制方法。影响螺纹副装配扭矩和螺栓轴向预紧力大小的主要因素就是螺纹副摩擦系数μs，根据ISO标准，当螺纹角α=60°时近似的认为螺纹副摩擦系数和螺纹支承面之间摩擦系数μn是基本相等的，即μs =μn 。根据计算公式，按照不同的摩擦系数和不同规格直径的螺纹计算出装配扭矩参照表，工艺人员根据参照下表选择适当的装配扭矩。

扭矩直接控制法一般采用手动、电动或气动工具一次直接将螺纹副装配扭矩装配到位。装配精度一般在30%左右。从目前的情况看拧紧工具最高能达到的控制精度为3~5%，比较经济合理的控制精度为10~20%。

扭矩直接控制法在考虑扭矩控制的同时，还应该对拧紧工艺进行合理的选择。常用的拧紧工艺包括对角渐次拧紧、分组拧紧、分步拧紧、多次拧紧以及其它一些特殊处理方法。

优点：

1. 工艺及工具简单；

2. 成本低；

3. 螺栓可以重复使用。

缺点：

1. 轴向预紧力波动大；

2. 螺栓抗拉强度利用率低；

3. 拧紧结果受螺栓摩擦系数及螺 栓质量影响大。

2、扭矩控制—转角监控法（TA）

扭矩控制-转角监控法一般使用自动拧紧机控制。自动拧紧机工作程序为：首先将装配扭矩设置在最终装配扭矩的70%~80%的范围内，自动拧紧机快速拧紧到这个设定值后，略停顿1~2秒后，拧紧机降低转速，以很慢的转速继续旋紧，一直到达最终装配扭矩值。在第二个动作开始工作时，开始记录旋转的角度，从而可以在达到装配的同时检查螺纹副质量的目的。这种方法与第一种装配方法基本上是一致的，不同的是控制精度较高，而且能用转角监控螺栓质量的好坏。如果转角太大，显然使用的螺纹副材料抗拉强度太低，或没有经过热处理；如果转角太小，显然使用的螺纹副材料抗拉强度太高，或热处理后材料太硬。通过转角监控，可以很方便的检查出一批螺栓的质量情况，从而最大限度的提高螺纹副材料装配质量。

监控的转角的大小一般是通过实验得出的，通过计算也可以得出一个近似数，但最后还是要通过实验得出最终结果。因为旋转角度的大小，实际上就是螺栓被拉伸和连接体受压缩的长度总和。如果螺栓的螺距是1mm，假如转角转了90°，那么显然螺栓被拉伸和连接体受压缩的长度总和为0.25mm。

扭矩控制—转角监控法一般用在装配要求比较高的装配部位，如汽车的底盘螺栓，变速箱与发动机连接、传动轴连接等，装配精度可控制在3~5%。

优点：

1. 准确控制预紧力；

2. 充分利用螺栓抗拉强度；

3. 能检查出有问题螺栓。

缺点：

1. 拧紧工艺较复杂；

2. 拧紧设备成本高；

3. 摩擦系数对拧紧影响较大；

4. 螺栓基本不能重复使用。

3、转角控制—扭矩监控法（AT）

扭矩控制的最大缺点就是受摩擦系数影响较大，而转角控制的最大优点就是不受摩擦系数影响，所以一旦采用转角控制以后螺栓轴向预紧力大小就几乎不受摩擦系数影响，仅与螺栓的拉伸和构件受压缩的长度总和有关，即转角大小有关。

转角控制-扭矩监控法首先必须使用扭矩法确定转角控制的起始点。这个点一般是扭矩控制法最终装配扭矩的20%左右，自动拧紧机快速拧紧到这个点后，略停顿1~2秒后，拧紧机改变转速使转速变慢，然后开始旋转，并且开始计算角度，一直达到要求的角度为止，这个角度一般为90°左右，在计算转角的同时记录扭矩，如果扭矩太大，显然螺栓材料抗拉强度太高或热处理后材料太硬；如果扭矩太小，显然螺栓材料抗拉强度太低或热处理不好。从而达到监控螺纹副材料装配质量的目的。

转角控制-扭矩监控法主要应用在重要的装配部位，如发动机缸盖螺栓的连接、连杆螺栓，控制臂连接等影响行车安全的点位。

优点：

1. 轴向预紧力较大，且相对分散性较小，能精确控制螺栓的轴向伸长量；

2. 具有较好的抗疲劳性能，特别有利于带软垫的密封装配；

3. 摩擦系数对拧紧影响小；

4. 能检查出有问题螺栓。

缺点：

1. 工艺比较复杂，控制的工艺参数也需经过试验确定；

2. 拧紧设备成本高，维护费用也较高；

3. 螺栓基本不能重复使用。

4、屈服点控制法（也称斜率控制法或弹性极限法）

屈服点控制法就是利用螺纹材料的屈服点来控制螺纹副的装配，在使用自动拧紧机控制装配过程中，不但能测试螺纹副的装配扭矩，而且在测试螺纹副扭矩的同时不断地测试转角，从而计算出扭矩与转角的微分商Δ，计算微分商公式如下：ΔM/ΔΦ。当螺栓的材料达到屈服点以后，也就是说当拧紧力矩不再增加时，或增加的很慢，而转角却增加的很快时，等于微分商Δ趋向于0时，既发出控制信号，切断电源，完成一个工作循环，从而达到控制装配扭矩的目的。

用屈服点控制法拧紧的螺栓，可靠性高，抗疲劳性能和防松性能都好；同时屈服点控制法对螺栓的材料和热处理要求较高，因此一般只用于对轴向预紧力或轴向伸长量要求特别严格，且可靠性要求特别高的螺纹连接，如发动机缸盖螺栓的连接、连杆螺栓。

优点：

1. 不受扭矩控制法摩擦系数和转角控制法的转角起始点影响，从而克服了扭矩控制法和转角控制法的缺点，提高了装配精度；

2. 轴向预紧力大而集中，能准确控制螺栓的轴向伸长量，充分利用螺栓的抗拉强度；

3. 摩擦系数对拧紧影响小；

4. 能检查出有问题螺栓。

缺点：

1. 拧紧工艺复杂，控制的工艺参数需经试验确定；

2. 拧紧设备成本高，维护费用也较高；

3. 螺栓不能重复使用。

5、螺栓长度法（也称伸长量控制法）

螺栓长度法就是在装配过程中测量螺栓的伸长长度来控制螺栓的装配扭矩，从而达到直接控制螺栓的轴向预紧力。采用测微仪直接测量拧紧过程中的螺栓伸长量，或用超声波测长仪等高精度的动态测量仪测量螺栓的伸长长度（变形量），是测量控制预紧力的最准确的方法。这种方法不但能随时测量螺栓的轴向受力情况，而且能测量螺栓是否达到屈服点。

其测量原理公式为F=K*ΔL （F为预紧力，K为螺栓的应力因子，ΔL螺栓的伸长量）。

优点：

预紧力的控制精度高，预紧力可以控制在±5%内；

缺点：

这些测量方法和测量装置，在连续生产过程中无论在具体结构上和实施方法上都很困难，只能应用于实验室，产品设计研究，工艺设计阶段，航空安全要求高的情况，无法应用于大量生产。