陈平 邓伟平 谭志强 赵洋 乐慧杰 赵东海

（1.广州汽车集团有限公司汽车工程研究院；2.吉利汽车集团）

螺纹紧固件在汽车装配过程中大量使用。新车型开发过程中无一例外地需要对整车螺纹紧固件的拧紧扭矩进行设定和分析，输出整车扭矩清单指导制造。目前，自主品牌主机厂对于新车型开发过程中的大部分螺纹紧固件的拧紧扭矩设定都是通过零部件供应商依据经验提供，或通过对标竞品车型逆向检测其静态扭矩得出，然后通过大量道路试验和耐久试验来分析其合格性和可靠性，因此造成拧紧扭矩设定的准确性较差，拧紧质量也无法保证。文章以汽车轮胎的拧紧力矩设定正向开发为例，制定拧紧力矩标准分析流程，进行紧固件-扭矩/预紧力试验，采用Schatz多功能螺栓拧紧工艺分析系统进行力矩正向分析，进而给出设定拧紧力矩和拧紧策略的参考建议。

1 螺纹紧固件拧紧实质

螺纹装配拧紧的实质是通过螺栓的预紧力将2个工件联接在一起，在螺纹联接中装配拧紧的质量保障是将螺栓的轴向预紧力控制在适当的范围内。因此，对预紧力的准确控制是保证装配质量的基础。

1.1 拧紧扭矩等级

依据对汽车的安全性、法规性及功能重要性的影响程度，参考（德）DIN2862汽车工业中拧紧设备的应用标准要求将汽车总装的装配扭矩分为3个等级，如表1所示。

表1 汽车工业中拧紧设备的应用标准（拧紧扭矩等级）

1.2 拧紧扭矩精度

依据当前汽车的法规性和生产工艺性，汽车总装的拧紧扭矩精度分为3级，如表2所示。

表2 拧紧扭矩精度等级

分析拧紧精度过程中，拧紧精度须与拧紧等级匹配。拧紧扭矩等级A级与拧紧扭矩精度Ⅰ级、Ⅱ级匹配；拧紧扭矩等级B级与拧紧扭矩精度Ⅱ级、Ⅲ级匹配；拧紧扭矩等级C级与拧紧扭矩精度Ⅲ级匹配。指导制造部门根据拧紧精度要求合理选择拧紧工具[1]。

2 螺纹紧固件拧紧方法

目前主机厂主流用于螺纹拧紧的方法主要有扭矩法、扭矩-转角法及屈服点法。文章主要讨论基于扭矩法及扭矩-转角法的拧紧扭矩分析。

2.1 扭矩法

扭矩法是利用扭矩值与预紧力的线性关系进行控制的方法。该方法只控制施加的实际扭矩，是利用弹性区域内扭矩与夹紧力的线性关系进行拧紧控制的一种方法。通过控制拧紧扭矩间接地实施预紧力控制的扭矩法由于受到摩擦因数等多种不确定因素的影响，扭矩比是影响拧紧扭矩的主要因素，导致对轴向预紧力控制精度低。

2.2 扭矩-转角法

扭矩-转角控制法的实质是控制螺栓的伸长量。螺栓拧紧过程中，在连接面贴合以后的整个弹性区域内，轴向预紧力与伸长量成正比，而螺栓的转角和螺栓伸长量也成比例关系，弹性区域内紧固转角与预紧力的关系，如式（1）所示。

式中：θf——弹性区域内紧固转角度，（°）；

Ff——弹性区域内预紧力，N；

kb——螺栓拉伸弹性刚度，N/m2；

kc——被连接件压缩弹性刚度，N/m2；

P——螺距，mm。

该方法在螺栓规格确定的情况下，螺栓预紧力与摩擦因数没有直接关联，但受到起始扭矩的离散影响。虽然螺栓预紧力与摩擦因数无关，但与螺栓和被连接件的刚度有关，并且实施拧紧时的不同做法，如采取拧紧后松开再拧紧和分步拧紧等方式，都直接影响最终（装配）扭矩值的分布范围[2]。

3 扭矩开发流程

螺纹紧固件的扭矩开发流程，如图1所示。

图1 螺纹紧固件扭矩开发流程图

具体方法：1）预紧力计算。根据产品紧固场合、设计要求、工作载荷及联接要求等综合因素（或则CAE仿真分析）计算出理论预紧力值。2）标准件选型。合理选择标准件规格，尽量选择国标件，减少非标件的使用。3）拧紧空间校核。校核连接场合是否满足标准件的装配性。4）拧紧扭矩计算。根据预紧力、紧固件规格及螺纹副连接状态等参数计算拧紧扭矩。分析摩擦因数、强度、拧紧精度、拧紧等级及连接刚度等相关因素与扭矩的匹配性。5）试验验证。一方面通过实验室试验项目，通过各相关参数的试验数据验证拧紧扭矩的设定合理性。另一方面通过室外的道路和耐久试验验证扭矩的合格性及可靠性。6）拧紧策略选择。根据连接场合、产量和成本、拧紧扭矩、拧紧等级及拧紧精度选择对应的拧紧方法、拧紧工具及拧紧方式。

针对各设计部门提供的扭矩清单中的每个紧固件进行分析，分析结果合格后汇编成整车扭矩清单，与各设计部门及制造部门会签审核通过后，再发布给制造部门作为总装重要工艺指标文件指导生产。制造部门根据整车扭矩清单里的拧紧等级、拧紧精度及扭矩值等参数合理选择拧紧工具、拧紧方法、装配工艺及扭矩质量检测方法[3]。

4 某车型前车轮螺栓拧紧扭矩分析

以某新开发车型的前车轮螺栓的拧紧扭矩信息为例，车轮螺栓为10.9级M12×1.25螺栓，拧紧扭矩设定为（120±12）N·m，拧紧等级为 A，拧紧精度为Ⅱ级，分析其扭矩的设定合理性。车轮螺栓拧紧扭矩所需主要参数，如表3所示。

表3 车轮螺栓拧紧扭矩所需主要参数表

4.1 预紧力计算

首先分析产品的工作载荷和设计要求，从表3中车型产品设计提供的轴距、满载质量及轮胎半径等参数，计算满载时单个前轮所需制动扭矩，如式（2）所示；然后根据得出的单个前轮所需制动扭矩，以及螺栓数量及摩擦因数等规格参数，计算出单个螺栓需要的预紧力计算，如式（3）所示。

式中：Tμf——制动扭矩，N·m；

mf——满载前轴质量，取1 153 kg；

m——满载质量，2 150 kg；

hg——满载质心高度，取630 mm；

z——螺栓数目，取5个；

φ——附着系数，取值0.8；

L——轴距，取2 702 mm；

r——轮胎滚动半径，取379 mm；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

代入数据，求解式（2）得到单个前轮所需制动扭矩：

预紧力：

式中：n——接合面数量，取2个；

μs——支撑面摩擦因数；取0.12；

F0——螺栓轴向预紧力，N；

r0——车轮螺栓PCD径，取54 mm；

ks——防滑系数，取1.0。

代入数据，求解式（3）得到单个螺栓需要的预紧力：

4.2 标准件选型

根据预紧力等参数和该平台车型的车轮PCD径，以及紧固件尽量沿用原则综合选择原10.9级的M12螺栓紧固件。

4.3 操作空间校核

沿用该平台车型的车轮轮毂PCD径及紧固件。螺栓套筒通过空间足够，满足拧紧空间要求。

4.4 拧紧扭矩计算[4]

参考紧固件连接设计手册及螺纹紧固件通则中拧紧扭矩与预紧力的关系（见式4），以及影响扭矩系数的因素（见式5），先计算出扭矩系数值，再代入数值得到拧紧扭矩（T/N·m）：

式中：d——螺纹公称直径mm，取12 mm；

Kt——扭矩系数；

d2——螺纹中径mm，取11.188 mm；

Dw——车轮螺栓与制动盘接触面直径，取24 mm；

α'——螺纹牙侧角，取30°；

μs——螺纹摩擦因数，取0.15；

μw——支撑面之间摩擦系数，取0.20。

代入相关参数，得：T=118.5 N·m，四舍五入，取整数 T=120 N·m。

根据材料力学第四强度理论，校核螺栓规格承受最大应力的安全性，计算螺栓的最大实际拉应力和最大实际应力，如式（6）和（7）所示。

式中：σ——螺栓实际拉应力，MPa；

σcα——螺栓实际应力，MPa；

τ——螺栓实际剪应力，取0.5σ；

As——车轮螺栓等效应力截面积，取84.3 mm2。

代入相关参数，得到实际拉应力：σ=477 MPa，实际应力：σcα=634 MPa。因10.9级M12螺栓的许用应力为900 MPa，所以 σcα=634 MPa＜900 MPa，满足要求。

理论计算得出车轮螺栓在拧紧扭矩120 N·m下，实际使用应力小于螺栓规格的许用应力，螺栓使用安全可靠。综上分析得出：车轮螺栓为重要拧紧场合，拧紧扭矩值设定为（120±12）N·m。拧紧等级为A，拧紧精度为Ⅱ。

4.5 试验验证

4.5.1 拧紧扭矩-轴向预紧力试验

参考紧固件-扭矩/轴向预紧力试验标准的部分要求，利用Schatz多功能螺栓拧紧工艺分析系统进行车轮螺栓拧紧试验，分析拧紧过程的总扭矩、支撑面扭矩、螺纹扭矩、预紧力、扭矩系数、支撑面摩擦因数、螺纹摩擦因数及总摩擦因数等参数[5]。

考虑实际拧紧工具影响，在 20，40，50，60 r/min 拧紧转速下，以目标扭矩的80%～90%扭矩设定值进行多组数据试验，以及采用转角法拧紧紧固件至屈服状态。各参数曲线图，如图2～图4所示。

图2 标准转速下扭矩试验的总扭矩-预紧力曲线图（拧紧转速20 r/min）

图3 标准转速下扭矩试验的螺纹/支撑面扭矩-夹紧力曲线图（拧紧转速20 r/min）

图4 不同拧紧转速下扭矩试验的总扭矩-转角曲线图

车轮螺栓拧紧试验结果，如表4所示。

表4 车轮螺栓拧紧试验结果

紧固件-扭矩/轴向预紧力试验中，从图2可以看出，标准转速下紧固件-扭矩/轴向预紧力试验曲线斜率稳定，总扭矩与预紧力的关系趋向于线性比例，总扭矩在118 N·m时转化出约4 000 N的预紧力，跟理论计算较为一致。从图3可以看出，支撑面消耗扭矩约为60N·m，螺纹间消耗扭矩为50N·m，两者扭矩及预紧力试验曲线斜率稳定，扭矩与预紧力的关系趋向于线性比例。从图4可以看出，在20，40，50，60 r/min等不同拧紧转速下，当角度转过15°后，总扭矩值达到20 N·m后，拧紧螺栓基本都达到贴合点，即在弹性范围内总扭矩与预紧力的关系趋向于线性比例的稳定关系，继续拧紧，当角度转过130°后，总扭矩值达到170 N·m，基本达到螺栓屈服点，螺栓状态由弹性趋向于塑性变形。

从表4的结果综合分析得出，总扭矩在110～120 N·m，扭矩系数为0.233、预紧力约为40.10 kN、总摩擦因数为0.160（摩擦因数要求在0.12～0.18）。以上数据都与理论计算值接近。

4.5.2 道路试验

在进行3万km强化路试，以及16万km常规路试和耐久试验过程中，每5 000 km进行扭矩检查，没有发现车轮螺栓松脱等异常质量问题。拧紧扭矩可靠性合格。

综上分析可知，车轮螺栓拧紧扭矩值设定为（120±12）N·m是合理。

4.6 拧紧策略选择

4.6.1 扭矩法

拧紧扭矩值设定为（120±12）N·m；拧紧设备选择普通电动拧紧机，考虑拧紧转速影响，设定2次拧紧方式。

拧紧机设备拧紧步骤设定为：1）慢速反转180°（拧紧转速90 r/min），套筒认帽及螺纹检测过程；2）快速正转到40 N·m（拧紧转速280 r/min），达到贴合点扭矩；3）慢速正转拧紧到100 N·m（拧紧转速90 r/min），达到80%目标扭矩值（1次拧紧）；4）慢速反转 180°（拧紧转速90 r/min），拧松螺栓；5）慢速正转拧紧到120 N·m（拧紧转速 60 r/min），达到目标扭矩值（2次拧紧）；6）慢速反转3°，套筒与紧固件分离。

4.6.2 选择扭矩-转角法

根据图4的试验曲线得出，当拧紧扭矩值达到20 N·m后，拧紧螺栓基本都达到贴合点，可以设定起始扭矩为40 N·m；当角度转过130°后，总扭矩约为170 N·m时，螺栓会达到屈服点，考虑螺栓材料使用率不超过屈服强度的80%，且转角在80°时总扭矩约为120 N·m。分析得出拧紧扭矩值设定为：起始扭矩40 N·m，转角（60±10）°；拧紧设备选择伺服电动拧紧机。

拧紧机拧紧步骤为：1）慢速反转180°（90 r/min），套筒认帽及螺纹检测过程；2）慢速正转拧紧到40 N·m（起始扭矩，拧紧转速90 r/min）；3）转角控制拧紧60°（角度控制）；4）慢速反转3°，套筒与紧固件分离。

拧紧策略的选择受到资金投入、产量要求、生产节拍、设备价格、成本控制、使用寿命及车型质量定位等多方面因素影响，各制造厂商根据自身实际情况合理选择拧紧方式。

5 结论

紧固件拧紧扭矩是汽车装配中最重要的工艺管控参数。拧紧扭矩的质量保证可以从装配后质量检查、制造过程控制及设计研发保证3个层面上解决。评价标准件联接质量的因素和方法也很多，需根据连接场合、重要度、成本经济性及安全性要求综合选择合理的拧紧质量评价方法[6]。

文章以某汽车自主品牌的新车型开发为例，从螺纹联接的实质分析出发，通过制定拧紧力矩分析标准流程，采用Schatz多功能螺栓拧紧工艺分析系统，根据紧固件-扭矩/预紧力试验结果，得出影响拧紧质量的各种参数值，进而给出设定拧紧力矩和拧紧策略的参考建议。同时在扭矩开发过程，需要重点考虑以下几点事项对扭矩开发准确性的影响。

1）扭矩开发过程中，预紧力要求是一个非常重要的产品设计参数输入，根据产品设计人员提供的预紧力要求，工艺人员才能以此为基础进行扭矩开发设计。2）采用扭矩法的扭矩系数的选取，可以从设计计算中或试验过程得出。2种方法得出的数据值或许差异性不大，但是却代表了2种不同的参数理念。从生产实际出发，利用试验过程得出的扭矩系数更具生产指导意义，该方式得出的扭矩系数客观上囊括了多方综合影响因素的影响。3）评价扭矩拧紧质量不能只依靠扭矩值单一指标参数。应从如摩擦因数、扭矩系数、预紧力、拧紧方法及CPK（过程能力指数）等多方面指标综合评价。4）伴随拧紧工艺及拧紧设备的发展，误差性很大的静态扭矩值检测已经无法满足高质量拧紧的评价，应逐步提高采用以动态扭矩及拧紧过程监控为主的自动化检测设备的普及。