如何合理选择螺栓的装配扭矩

如何合理选择螺栓的装配扭矩

东方汽车网2012-11-12 14:35:34 作者:撰文／上海华普汽车有限公司林浩来源:《汽车与配件》12年NO.46 文字大小:[大][中][小]

螺纹副连接是汽车行业运用最广的连接工艺，设计时合理确定装配扭矩而依此产生的预紧力是否可靠直接关系到装配的可靠性。目前欧系合资车厂较为科学的装配的前提是要求供应商提供摩擦系数在一定范围内的产品，通过公式计算出装配预紧力一致性较合理的实际装配值。而国内汽车企业制定规范的依据是设计人员提取过时标准中的经验数据(前提是扭矩系数特定)，当连接面表面状态变化时不能合理调整装配扭矩值，就会造成预紧力过大或过小。控制摩擦系数是合理选择装配扭矩的核心。

螺纹副连接在汽车装配行业占有重要地位，而随着螺栓表面处理技术的更新，更多的螺纹连接质量的影响原因追溯到装配扭矩的设计不甚合理，设计者应根据相应装配条件和连接件本身参数合理设计装配扭矩值，才能完成螺纹可靠连接的第一步。

一些国内汽车厂制定装配扭矩的依据

部分国内汽车厂螺栓(弹性区域)装配矩的选用依据是沿用行业推荐标准QC/T518—1999《汽车用螺纹紧固件紧固扭矩》，这个标准已被QC/T518—2007版标准取代。1999版标准的设计思路是先测量出实际同批次螺栓的扭矩系数及设定的扭矩系数后，再根据公式Tf=KFfd(式中Ff为设定的预紧力；d为螺栓公称直径)计算出实际装配扭矩值。为方便工程技术人员查询相应规格及性能等级的螺栓装配扭矩，标准中4.2条列出了一个便捷查询的表格，由此表格工程技术人员方便查出设计值。摘录部分如表1所示。

但设计人员使用本表格的误区在于：此表格内数据的来源是以“滚压外螺纹镀锌、内螺纹镀锌、不加润滑剂”的常用表面状态为条件(即扭矩系数为0.25)；由扭矩系数与摩擦系数关系得出此扭矩系数下摩擦系数最大值为0.19。但随着表面处理状态的变化(假设变更为发黑或达克罗)，假设摩擦系数降低的同时导致扭矩系数下降，那表中的数据就不能直接采用了，依然要根据公式计算得出，如果设计人员仍然机械套用表格上的数据，必然会造成预紧力的偏大而使螺栓的使用出现不安全的可能。

欧系合资车厂螺栓装配扭矩设计核心思想

欧系合资汽车厂螺栓装配扭矩设计得的核心思想是：装配产生的最小轴向预紧力满足功能要求、最大不超过螺栓的许用载荷，对于关键连接部位，装配工艺必通过设计计算及装配工艺模拟验证，确认装配工艺满足设计轴向预紧力要求。

在理论公式计算中，通过稳定装配摩擦系数，由螺栓规格合理确定计算公式中的相关参数。得出装配扭矩值，理论公式如下：

MA=Ff/1000｛d2/2(μs/cosα+tgβ)+μndn/2｝

式中：

MA-螺纹副装配扭矩，Nm；

Ff-螺栓所受预应拉力，N；

dn-螺纹支承面摩擦力矩等效直径，mm；

α-螺纹半角，度；

β-螺纹升角，度；

d2-螺纹中径，mm；

μs-螺纹副摩擦系数；

μn-支承面之间摩擦系数。

在公式中可以看出，当螺纹公称直径及螺距确定后，影响装配扭矩合理选择两个关键因素就是摩擦系数μs、μn及螺纹支承面摩擦力矩等效直径dn。

举例说明，M8六角凸缘面螺栓是常用的车门铰链螺栓，与焊接螺母连接，如果假设处理方式都是镀锌处理，摩擦系数在0.12~0.18之间，上紧所用的扳手直径为10mm，它的螺纹支承面摩擦力矩等效直径为9.6mm，假设螺栓级别10.9级，则安装扭矩最小值为32Nm，最大值为34Nm。而M8焊接螺栓则是B柱与后门的连接件，唯一与M8六角凸缘面螺栓不同的是上紧所用的扳手直径为13mm，它的螺纹支承面摩擦力矩等效直径增大为11.4mm，则扭矩最小值为34Nm，最大值为36Nm。如果M8六角凸缘面螺栓的表面处理状态由镀锌改为达克罗，那最小摩擦系数变为0.09~0.15时，则它的装配扭矩应下调为26~30Nm。

摩擦系数的改变带来的装配扭矩的变动影响更大。假设一个连接车身与车架的M14×1.5×55的六角凸缘面螺栓，如果最初采用镀锌处理，装配扭矩可以采用QC/T518-1999表格中的经验数据178~218Nm，而现在随着达克罗产品的越来越多使用，如果摩擦系数降为0.09时，则装配扭矩变为

146~168Nm，假设选用了表中所给的最大值218Nm，则预紧力会达到12094N，超过螺栓的保证载荷10400N的20%，螺栓的装配会超出弹性段，出现过大的情形。

摩擦系数与扭矩系数的关系

摩擦系数μ是通常意义上的纯物理概念，是摩擦力和正压力的比值。螺纹连接的摩擦可分为螺纹摩擦和支承面摩擦两部分。而扭矩系数K则是宏观上反映螺栓拧程中扭矩与轴向夹紧力之间关系的经验系数。

通过一些国家性标准件检测中心不懈的努力，通过数理统计及回归分析法找出了摩擦系数与扭矩系数的相应关系，在合理设计装配扭矩时提供了良好的桥梁。相关分析式如下：

粗牙螺纹：

K=(-μth+1.49)×(-μth+μb)/2

细牙螺纹：

K=(-0.7μth+1.40)×(μth+μb)/2

在式中：

μth-螺纹摩擦系数；

μb-支承面摩擦系数。

如果测得螺纹摩擦系数和支承面摩擦系数可以求得螺纹副扭矩系数。

汽车厂对螺纹副摩擦系数的要求

全球各大汽车厂对螺纹副装配都有各自的要求，要求不尽相同，但散差基本一致，如图1所示。由此可见欧系相对日系对于螺栓装配有更高的性能要求。

在不知摩擦系数情况下如何确定装配扭矩值

在不知道螺栓摩擦系数，甚至不知道螺栓性能等级的情况下，如何确定螺纹副的装配扭矩呢？只需要一个表盘式扭矩扳手，首先它的精度要足够。可以通过实际装配的情况下测量出它的安全安装扭矩。

欧系汽车厂给出一种用实际的确定装配扭矩的方法，这是一种方便快捷的确定扭矩的方法。将螺纹副与被连接件连接起来，用表盘式扭矩扳手将螺栓拧至螺栓发生屈服(表针显示停顿，但感觉扳手手柄还在旋转，表明螺栓已被拉长)，记下此时表针所记录的数据，仍然用这个数据乘以一个安全系数，这个系数为0.4~0.5，这个数据就是安装的螺栓应用的安全装配扭矩。