3_3夹紧力与扭矩
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夹紧力与扭矩
螺栓装配
• 螺栓选用规则 • 螺栓强度
• 扭矩与夹紧力的关系
• 影响连接的因素
• 动力工具的影响
• 防错
2
装配的目的？
• 装配的目的是通过螺栓拧紧，用一个“合适的力”将多 个零部件结合在一起使其满足产品的工作特性
3
螺栓规格选型的依据-VDI2230
必须满足装配的工件在受载模式下不失效
公制螺纹
例：M10螺栓的抗拉强度： S=52x3.14=78.5mm2 SX800 N/mm2=62800N=6280Kg
6
螺栓强度的测试方法
1，低强度螺栓，含碳量 较低，有明显的屈服 阶段
2，高强度螺栓，含碳量 较高，采用等效屈服 点
3，测试示意图
7
螺母/螺纹副强度
8
螺母强度测试方法
9
为什么是扭矩？
19
步骤2：确定目标夹紧力及公差(22-42)
目标值选定：
– 安全余量大小：安全等级要求高，夹紧力可以设置高一点
– 尺寸重量要求高：夹紧力可以偏小一点
– 一般可取中间值：（18+46）/2=32KN
公差大小：±3.2KN
2. 取决于摩擦系数公差
10%
1. 取决于安全等级,越高公差越小
3. 取决于工具精度
24
常见问题2：“扭矩”不足
现象：扭矩合格，产品依 然夹紧力不足
解决方案： 1. 使用电动工具，有扭矩低报警 2. 使用扭矩保持功能，降低衰减 原因： – 扭矩未达到 3. 采用正转+反转+最终拧紧方法 4. 增加扭矩（在允许范围内） 5. 提高螺栓等级，从8.8到10.9
–
–
扭矩衰减严重
螺栓强度不足
•
夹紧力装配成本高：需要力传感器
•
扭矩和夹紧力有一定线性关系
10% 50% 40%
13
摩擦系数
• • • • 取决于不同材质 取决于螺纹副配合公差 取决于是否有涂层？润滑？ 是否有垫片？
14
摩擦系数差异较大的结果
Tension 张力 KN
Final torque目标扭矩 ± 2%
well-oiled, 充分浸油
4. 取决于装配策略
20
步骤3：根据夹紧力要求选择螺栓：ISO898
1.查询ISO898
2.选用8.8或者10.9级螺 栓 3.M10,10.9级在3738KN，螺栓利用率 在85%，风险较高 4，M12，8.8，82% 5，M12，10.9，60%
选择M12 10.9级的螺栓 比较好
21
步骤4：设定目标扭矩
安全连接 A
车轮螺栓，转 向系统， 制动系 统
5 –需要控制扭矩或者角度变量， 同时需要监控角度或者扭矩 变量，所有生产数据需要被 存储在服务器中用以追溯 6 – 零错误装配
27
More Than Productivity
» Dkm = (dw + dh)/2
–
11
μk = fricition value surface bolt-head（螺帽与工件表面之 间的摩擦力）
扭矩，夹紧力与摩擦力的关系
螺栓头下摩擦力 50%
产生夹紧力 10%
90% 的扭矩用于克服 摩擦力
螺纹副中 40%
扭矩
100%
12
Байду номын сангаас
为什么是扭矩？
• 夹紧力很难直接检测：内力
6KN 2，最大剪向载荷2KN 3，必须保证6KN夹紧力，确保密封垫 圈工作，但是不能大于46KN
轴 向 载 荷 剪向载荷
4，工件之间的最大静摩擦系数0.4
5，摩擦系数0.12-0.14之间 6，工件最大允许压力75KN
如何根据以上的要求 选择螺栓及工具 ？
18
步骤1：确定夹紧力范围
需要保证连接在受到各种载荷时不失效，即： (Fmin-12)*0.4＞2 保证最大轴向载荷时依然可以保证剪向载荷,17KN Fmin-12＞6 保证最大轴向载荷时密封OK,18KN 确定最小载荷18KN 夹紧力必须在18KN至 需要避免连接过载 46KN之间 Fmax＜75KN 保证工件不变形 Fmax＜46KN 保证密封圈正常工作 确定最大允许载荷46KN
– – – – – – T = Torque（扭矩） Fm = clamping force（夹紧力） P = pitch of thread（螺距） μg = friction value in thread（螺纹副之间的 摩擦力） d2 = diameter bolt（螺栓的直径） Dkm = size of surface bolt (nut)-head（螺帽 与工件表面的接触面积）
夹紧力是我们想得到的，但是它非常难测量. 扭矩 容易测量和运用
我们能够测量的是扭矩T
夹紧力是我们想要得到的
10
扭矩，夹紧力与摩擦力的关系
• Fm= T/ (0.16P + (μg * 0.58 * d2) + ((Dkm/2) * μk))
Pitch Thread Head
•
Definitions：
1，工件不会变形（夹紧力过大） 2，零件不会分离 3，工件的密封性能完好
必须满足螺栓在最大载荷下不失效 必须满足在交变载荷下不会疲劳断裂 需要考虑到摩擦系数的偏差
需要考虑到尺寸
1，尺寸太大影响产品美观 2，多余的尺寸会影响重量（发动机等）
4
常见的螺栓及螺母强度
对于公制螺纹，ISO898是一个国际标准用来 定义碳钢以及合金钢螺栓，螺纹副，螺钉以 及螺帽的强度等级 对于螺栓，ISO898定义了10个强度等级，从 最低的3.6到最高的12.9，而螺帽相应的从4 到12有7个不同等级
比如一个等级为8.8级别的螺栓，通 常会选择一个等级为8的螺母或者螺 纹副来配合
5
螺栓强度
生产商
• ial 20
.
第一个数 = 1/100 的最小抗拉 强度 (N/mm2) 100×8 = 800 N/mm2 第二个数 =屈服强度与最小抗拉 强度之间的关系 0.8 = 80% 两数相乘得出屈服应力 800* 0.8 = 640 N/mm2
选择M12，10.9级的螺栓
– 当扭矩最小，摩擦系数最大时夹紧力最小
公差大小：±3.2KN
1. 取决于安全等级,越高公差越小 2. 取决于摩擦系数公差 3. 取决于工具精度 4. 取决于装配策略
22
步骤4：设定目标扭矩
• 当扭矩最小，摩擦系数最 大时夹紧力最小，计算此 时Tmin=125*28.8/54=66.7 当扭矩最大，摩擦系数最 大时夹紧力最大，计算此 时 Tmax=117*35.2/55.6=74.1 扭矩范围66.7Nm-74.1Nm 目标扭矩：70.4Nm 扭矩精度：±5.26%
扭矩合格！ • 夹紧力过大
– 螺栓有可能被拉断
– 工件变形 – 安全余量变小
• 夹紧力过小
– 夹紧力不足
生锈的螺栓
– 螺栓易松
– 螺栓易被“剪断”
16
小结
连接的目的是产生夹紧力 生产中常见的控制变量时扭矩
扭矩和夹紧力之间受摩擦系数影响
装配的扭矩只有10%转化为夹紧力
17
简单的螺栓设计案例
1，连接最大轴向载荷12KN，正常在
6. 提高螺栓尺寸，从M12到M14
7. 使用两步拧紧 8. 增加预拧紧
25
常见问题3：扭矩衰减
现象：装配扭矩合格 ，事后用扳手复 检不合格
原因：工件偏软，受 力后变形，夹紧 力变小
Time
26
常见问题4：如何制定公差
问题：螺栓工位太多， 公差不可能一致
螺栓分级 标准连接 C 失效后果 失效后可能造成品牌 形象下降， 客户抱怨 常见工位 天窗系统，遮 阳板， 内饰等
方案：根据螺栓安全 等级，质量，性 能要求进行分级
设备能力要求
1- 确保螺栓被正确的拧紧，精度一 般在15%-25%
2 – 需要对于装配进行计数，确保 没有装配遗漏
关键连接 B
3 – 需要保证连接的稳定，不仅仅 失效后可能导致车辆 是扭矩OK 变速箱,发动机， 的某一功能 空调系 4 – 需要对螺钉进行计数，除了控 下降或者丧 统 制扭矩变量，还需要额外的 失 监控变量（例如角度） 失效后可能危及乘员 以及行人的 生命安全
结论：
• 仅仅控制扭矩是不够的
40 30 20
•
• • •
不能随便润滑螺栓
更换螺栓需要做摩擦力测 试 润滑不足导致夹紧力不足 摩擦系数不同会几何级数 级别的放大扭矩的误差
张力的散 布误差 ± 50%
10 20
40
60
80
100
120 Torque扭矩Nm
由此得出一个重要的结论： 如果其它的 因素不能控制，仅仅控制扭矩是远远不 够的！
•
• • •
23
常见问题1：扭矩合格，装配不合格
• • 定扭精度±2% 夹紧力误差±50%
60
50
Tension 张力 KN
Final torque目标扭矩 ± 2%
well-oiled, 充分浸油 medium-oiled, 轻 度浸油 rough/not oiled
原始状态
Tension dispersal
60 50 40 30 20 10
medium-oiled, 轻度浸油 rough/not oiled
原始状态
Tension dispersal
张力的散布误差 ± 50%
20
40
60
80
100
120
Torque扭矩Nm
仅仅判断扭矩，如果摩擦系数差异较大，实际的夹紧 力结果差异也是很大的
15
夹紧力偏差大会导致的结果
螺栓装配
• 螺栓选用规则 • 螺栓强度
• 扭矩与夹紧力的关系
• 影响连接的因素
• 动力工具的影响
• 防错
2
装配的目的？
• 装配的目的是通过螺栓拧紧，用一个“合适的力”将多 个零部件结合在一起使其满足产品的工作特性
3
螺栓规格选型的依据-VDI2230
必须满足装配的工件在受载模式下不失效
公制螺纹
例：M10螺栓的抗拉强度： S=52x3.14=78.5mm2 SX800 N/mm2=62800N=6280Kg
6
螺栓强度的测试方法
1，低强度螺栓，含碳量 较低，有明显的屈服 阶段
2，高强度螺栓，含碳量 较高，采用等效屈服 点
3，测试示意图
7
螺母/螺纹副强度
8
螺母强度测试方法
9
为什么是扭矩？
19
步骤2：确定目标夹紧力及公差(22-42)
目标值选定：
– 安全余量大小：安全等级要求高，夹紧力可以设置高一点
– 尺寸重量要求高：夹紧力可以偏小一点
– 一般可取中间值：（18+46）/2=32KN
公差大小：±3.2KN
2. 取决于摩擦系数公差
10%
1. 取决于安全等级,越高公差越小
3. 取决于工具精度
24
常见问题2：“扭矩”不足
现象：扭矩合格，产品依 然夹紧力不足
解决方案： 1. 使用电动工具，有扭矩低报警 2. 使用扭矩保持功能，降低衰减 原因： – 扭矩未达到 3. 采用正转+反转+最终拧紧方法 4. 增加扭矩（在允许范围内） 5. 提高螺栓等级，从8.8到10.9
–
–
扭矩衰减严重
螺栓强度不足
•
夹紧力装配成本高：需要力传感器
•
扭矩和夹紧力有一定线性关系
10% 50% 40%
13
摩擦系数
• • • • 取决于不同材质 取决于螺纹副配合公差 取决于是否有涂层？润滑？ 是否有垫片？
14
摩擦系数差异较大的结果
Tension 张力 KN
Final torque目标扭矩 ± 2%
well-oiled, 充分浸油
4. 取决于装配策略
20
步骤3：根据夹紧力要求选择螺栓：ISO898
1.查询ISO898
2.选用8.8或者10.9级螺 栓 3.M10,10.9级在3738KN，螺栓利用率 在85%，风险较高 4，M12，8.8，82% 5，M12，10.9，60%
选择M12 10.9级的螺栓 比较好
21
步骤4：设定目标扭矩
安全连接 A
车轮螺栓，转 向系统， 制动系 统
5 –需要控制扭矩或者角度变量， 同时需要监控角度或者扭矩 变量，所有生产数据需要被 存储在服务器中用以追溯 6 – 零错误装配
27
More Than Productivity
» Dkm = (dw + dh)/2
–
11
μk = fricition value surface bolt-head（螺帽与工件表面之 间的摩擦力）
扭矩，夹紧力与摩擦力的关系
螺栓头下摩擦力 50%
产生夹紧力 10%
90% 的扭矩用于克服 摩擦力
螺纹副中 40%
扭矩
100%
12
Байду номын сангаас
为什么是扭矩？
• 夹紧力很难直接检测：内力
6KN 2，最大剪向载荷2KN 3，必须保证6KN夹紧力，确保密封垫 圈工作，但是不能大于46KN
轴 向 载 荷 剪向载荷
4，工件之间的最大静摩擦系数0.4
5，摩擦系数0.12-0.14之间 6，工件最大允许压力75KN
如何根据以上的要求 选择螺栓及工具 ？
18
步骤1：确定夹紧力范围
需要保证连接在受到各种载荷时不失效，即： (Fmin-12)*0.4＞2 保证最大轴向载荷时依然可以保证剪向载荷,17KN Fmin-12＞6 保证最大轴向载荷时密封OK,18KN 确定最小载荷18KN 夹紧力必须在18KN至 需要避免连接过载 46KN之间 Fmax＜75KN 保证工件不变形 Fmax＜46KN 保证密封圈正常工作 确定最大允许载荷46KN
– – – – – – T = Torque（扭矩） Fm = clamping force（夹紧力） P = pitch of thread（螺距） μg = friction value in thread（螺纹副之间的 摩擦力） d2 = diameter bolt（螺栓的直径） Dkm = size of surface bolt (nut)-head（螺帽 与工件表面的接触面积）
夹紧力是我们想得到的，但是它非常难测量. 扭矩 容易测量和运用
我们能够测量的是扭矩T
夹紧力是我们想要得到的
10
扭矩，夹紧力与摩擦力的关系
• Fm= T/ (0.16P + (μg * 0.58 * d2) + ((Dkm/2) * μk))
Pitch Thread Head
•
Definitions：
1，工件不会变形（夹紧力过大） 2，零件不会分离 3，工件的密封性能完好
必须满足螺栓在最大载荷下不失效 必须满足在交变载荷下不会疲劳断裂 需要考虑到摩擦系数的偏差
需要考虑到尺寸
1，尺寸太大影响产品美观 2，多余的尺寸会影响重量（发动机等）
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常见的螺栓及螺母强度
对于公制螺纹，ISO898是一个国际标准用来 定义碳钢以及合金钢螺栓，螺纹副，螺钉以 及螺帽的强度等级 对于螺栓，ISO898定义了10个强度等级，从 最低的3.6到最高的12.9，而螺帽相应的从4 到12有7个不同等级
比如一个等级为8.8级别的螺栓，通 常会选择一个等级为8的螺母或者螺 纹副来配合
5
螺栓强度
生产商
• ial 20
.
第一个数 = 1/100 的最小抗拉 强度 (N/mm2) 100×8 = 800 N/mm2 第二个数 =屈服强度与最小抗拉 强度之间的关系 0.8 = 80% 两数相乘得出屈服应力 800* 0.8 = 640 N/mm2
选择M12，10.9级的螺栓
– 当扭矩最小，摩擦系数最大时夹紧力最小
公差大小：±3.2KN
1. 取决于安全等级,越高公差越小 2. 取决于摩擦系数公差 3. 取决于工具精度 4. 取决于装配策略
22
步骤4：设定目标扭矩
• 当扭矩最小，摩擦系数最 大时夹紧力最小，计算此 时Tmin=125*28.8/54=66.7 当扭矩最大，摩擦系数最 大时夹紧力最大，计算此 时 Tmax=117*35.2/55.6=74.1 扭矩范围66.7Nm-74.1Nm 目标扭矩：70.4Nm 扭矩精度：±5.26%
扭矩合格！ • 夹紧力过大
– 螺栓有可能被拉断
– 工件变形 – 安全余量变小
• 夹紧力过小
– 夹紧力不足
生锈的螺栓
– 螺栓易松
– 螺栓易被“剪断”
16
小结
连接的目的是产生夹紧力 生产中常见的控制变量时扭矩
扭矩和夹紧力之间受摩擦系数影响
装配的扭矩只有10%转化为夹紧力
17
简单的螺栓设计案例
1，连接最大轴向载荷12KN，正常在
6. 提高螺栓尺寸，从M12到M14
7. 使用两步拧紧 8. 增加预拧紧
25
常见问题3：扭矩衰减
现象：装配扭矩合格 ，事后用扳手复 检不合格
原因：工件偏软，受 力后变形，夹紧 力变小
Time
26
常见问题4：如何制定公差
问题：螺栓工位太多， 公差不可能一致
螺栓分级 标准连接 C 失效后果 失效后可能造成品牌 形象下降， 客户抱怨 常见工位 天窗系统，遮 阳板， 内饰等
方案：根据螺栓安全 等级，质量，性 能要求进行分级
设备能力要求
1- 确保螺栓被正确的拧紧，精度一 般在15%-25%
2 – 需要对于装配进行计数，确保 没有装配遗漏
关键连接 B
3 – 需要保证连接的稳定，不仅仅 失效后可能导致车辆 是扭矩OK 变速箱,发动机， 的某一功能 空调系 4 – 需要对螺钉进行计数，除了控 下降或者丧 统 制扭矩变量，还需要额外的 失 监控变量（例如角度） 失效后可能危及乘员 以及行人的 生命安全
结论：
• 仅仅控制扭矩是不够的
40 30 20
•
• • •
不能随便润滑螺栓
更换螺栓需要做摩擦力测 试 润滑不足导致夹紧力不足 摩擦系数不同会几何级数 级别的放大扭矩的误差
张力的散 布误差 ± 50%
10 20
40
60
80
100
120 Torque扭矩Nm
由此得出一个重要的结论： 如果其它的 因素不能控制，仅仅控制扭矩是远远不 够的！
•
• • •
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常见问题1：扭矩合格，装配不合格
• • 定扭精度±2% 夹紧力误差±50%
60
50
Tension 张力 KN
Final torque目标扭矩 ± 2%
well-oiled, 充分浸油 medium-oiled, 轻 度浸油 rough/not oiled
原始状态
Tension dispersal
60 50 40 30 20 10
medium-oiled, 轻度浸油 rough/not oiled
原始状态
Tension dispersal
张力的散布误差 ± 50%
20
40
60
80
100
120
Torque扭矩Nm
仅仅判断扭矩，如果摩擦系数差异较大，实际的夹紧 力结果差异也是很大的
15
夹紧力偏差大会导致的结果