發布時間：2022-04-21
分享:
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，螺栓連接質量好壞直接影響整車裝配質量。影響螺栓連接質量的因素很多，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
螺栓連接是通過對連接件（螺栓零件）施加擰緊力矩，使其受拉伸形變產生軸力實現被連接件之間夾緊的一種連接方式。乘用車螺栓連接在設計時是通過設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構功能決定的，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（預緊力）的關系公式：
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-螺栓當量摩擦角；
μ-螺栓與被連接件支撐面間的
摩擦系數；
K-擰緊力矩系數。
K=tan(φ + ρυ) d2/(2d) + μ/(3d)*(DW3-d03)/(DW2-d02)
（注：世界各國擰緊力矩系數均大同小異，由于擰緊力矩系數K 的確認均以試驗數據為依據進行校正，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量問題主要有以下4種形式：
①裝配過程中擰緊零件在規定的擰緊力矩下發生斷裂失效；
②連接件在運行過程中出現松動、脫落；
③ 硬連接靜態力矩檢查力矩超差；
④ 軟連接靜態力矩檢查力矩衰減。
（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生的軸力超過螺栓零件的極限拉伸載荷，出現這種問題分析從以下幾個步驟入手：
第一步：擰緊結果準確性判斷；
第二步：擰緊工具測量是否準確，測量精度是否滿足產品設計要求；
第三步：產品設計力矩產生的軸力是否超出零件的極限拉伸載荷；
第四步：擰緊零件質量是否滿足產品設計要求，主要對零件的拉伸強度、摩擦系數（端面摩擦系數、螺栓摩擦系數）、表面粗糙度、表面硬度進行檢驗；
第五步：擰緊工藝策略是否合理；
第六步：現場工況計算分析。
2.案例分析
案例說明：生產現場出現緊固點
螺栓斷裂，出現頻次為30%，為批量出現問題。
（1）現場情況收集
此點擰緊工藝力矩為90~110N·m，設定工藝目標值為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，擰緊槍設備精度為3%。擰緊方法設定為兩步擰緊，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；擰緊結束。
（2）按步分析
第一步：擰緊結果檢測，采用數顯力矩扳手測量未斷裂的擰緊點靜態力矩10組以上。經檢測，此點靜態力矩在90 N·m~132 N·m 之間，靜態力矩合格。
第二步：擰緊工具檢驗，采用精度為1%的動態力矩檢測儀檢驗電動擰緊槍的輸出精度，連續采集數據10組以上，驗證檢測儀所采集數據均處于電動擰緊槍工具目標值的3%以內。如果動態力矩檢測儀的檢測值超出97N·m~103N·m范圍，需重新標定或者更換電動擰緊槍。
第三步：按照產品設計扭矩參數，反推設計扭矩產生的軸力上、下限，與零件拉伸強度極限進行比較：
1）根據產品設計的尺寸要求：
K=0.10718+0.753μ
此工況為鋼對鋼連接無潤滑的前提下，其靜摩擦系數為0.15，動摩擦系數為0.1，此處按照動摩擦系數進行換算。
K=0.10718+0.753*0.1=0.18248
在設計扭矩下產生的軸力為：
F0=T/Kd0=110 N·m /（0.18248*0.012m）=50233N
2）產品設計的極限拉力為：
F=[σ]*A=1050 N / mm2* 0.785*（122）mm2=118692N
產品設計的屈服拉力為極限拉力的75%~80%，為89 019N 以上；極限拉力高于設計扭矩下的軸力2倍以上，屈服拉力高于設計扭矩下的大軸力的1.5 倍以上，所以產品設計扭矩符合要求。
第四步：擰緊零件進行拉力試驗，經測試螺栓極限拉伸強度在1 050N/mm2~1100 N/mm2，滿足要求。
第五步：現場工況分析，現場發現，在斷裂螺栓的被連接表面涂抹了防銹油，使得表面摩擦系數為有潤滑狀態的摩擦系數，動摩擦系數為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
軸力已經超出螺栓的屈服扭矩，如果靜態力矩達到132N·m，緊固螺栓存在斷裂風險。
（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松動、脫落，其主要原因為螺栓零件擰緊產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，出現電流低或者機械故障，引起輸出扭矩低于設定扭矩。對于此種失效模式，只要定期的監測和檢定擰緊工具的輸出扭矩準確性，即可避免此類問題。而且在生產過程中出現連接零件松動、脫落，應第一時間對擰緊工具進行檢定，確保工具的準確性。
第二步：擰緊操作排除。
對于螺栓連接，應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。如果緊固過程出現不垂直的情況，會引起擰緊“ 假力”。
具體案例：在生產過程中，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，易出現緊固過程螺栓與螺母不垂直，導致螺栓緊固力矩達到工藝要求，但是螺母復檢的力矩遠低于緊固力矩。對于這種工況，應該采取“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。
對于連接件松動和脫落的擰緊質量問題分析，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，但是隨著整車運行雜質震動脫落，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部產生內應力；但是隨著時間的增加被連接零件的凸起部位逐漸磨平，被連接件之間出現空隙，引起連接件力矩衰減和松動，導致螺栓脫落。
對于以上的情況，可以采用合適的擰緊策略進行避免。以上面的案例為例進行說明，擰緊工藝力矩為90~110 N·m，設定工藝目標值為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，擰緊結束。為了保證擰緊的質量，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（設定目標值的70%），三是反轉90°（一般為30°以上），四是繼續擰緊力矩至100 N·m，保持100 N·m 力矩1s，擰緊結束。這樣可以保證擰緊質量的可靠性。
第四步：設計扭矩值確認。
運動過程的沖擊載荷是設計部門通過軟件模擬、路試分析、對標總結得出的結論。在生產過程中如果出現此類問題，只要對比其它車型產品的類似連接點，即可判斷出此點的設計力矩合理性。
（三）硬連接靜態力矩檢查力矩超差
硬連接靜態力矩超差主要體現在連接后的零件，采用靜態力矩檢測其力矩值超出擰緊力矩的檢查范圍，出現此類問題，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電流（電壓）高峰脈沖，氣動擰緊工具在使用過程中可能出現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機械故障，從而引起輸出扭矩高于設定扭矩。對于此種失效模式，應第一時間通過生產現場完好的工具檢定設備檢查擰緊工具的扭矩，如果擰緊工具準確性無問題，應檢查復檢工具的準確性。
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，靜態力矩的復檢采用數顯或指針式扭矩扳手。定值扭矩扳手和數顯（指針）式扭矩扳手在使用過程中，記錄的數值一般為檢測的峰值，并不是靜態力矩值。所以，在定值扭矩扳手和數顯（指針）式扭矩扳手使用過程中應遵循定值扭矩扳手手柄與校準儀連接軸線角度偏差≤ ±3°，定制力矩扳手校準過程旋轉角度≤ 10°的操作原則。而我們現場的操作人員一般都會存在不同程度的“過沖”現象，引起扭矩超差。
（四）軟連接靜態力矩檢查力矩衰減
1.原因分析
軟連接靜態力矩衰減主要體現在連接后零件采用靜態力矩檢測其力矩值低于擰緊力矩，出現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束的很短一段時間內，其連接件上下端面之間的部位受壓收縮，密度增加，內應力加大，并使得材料存在向外擴張的趨勢。緊固穩定后，內部應力平衡，被連接件受壓部分密度與未受壓部位平衡，出現密度降低，內應力釋放并平衡，連接軸力降低，扭矩出現衰減。
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，軟連接的擰緊質量是可以保證的。
擰緊方法：選擇合適的擰緊工具，轉速不宜過快（一般加載轉速低于270r/min）；盡可能的在擰緊過程中增加一步“反轉”和“扭矩保持”的動作，釋放擰緊過程中產生的應力。
檢查方法：選擇質量穩定的零件和性能穩定的工具，按照SPC 理論采集足夠的樣本數量進行分析，統計出各連接點合理的復檢范圍，制定出合理的檢查標準。
擰緊技術作為整車裝配技術重要的一環，螺栓連接質量受生產中各種因素的影響，只有不斷的深入現場，收集更多的數據進行分析，制定出合理的擰緊標準，才能夠保證擰緊質量的可靠。
