申成振，张金全，李强强，吕若尘，王丹丹



拉带连接螺栓的紧固力矩设定值研究

申成振，张金全，李强强，吕若尘，王丹丹

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710021）

连接有拉带的弹性体螺栓，缺少成熟的紧固力矩计算公式和研究方法。文章采用扭矩控制法，通过连接尿素箱总成的拉带螺栓紧固力矩试验研究，并结合紧固力矩估算分析方法，来预估拉带螺栓的紧固力矩设定值。

拉带螺栓；紧固力矩；螺纹副连接

1 概述

螺纹副扭矩的控制，直接关联整车的质量和运行可靠性。影响紧固力矩的因素很多：螺纹件的材料、直径，螺纹表面粗糙度，螺栓（母）和连接接触面的摩擦系数，拧紧工具的精度、转速，拧紧工艺顺序等等[1]。

而某公司开发的尿素箱总成采用两条拉带螺栓紧固，拉带螺栓结构为两头为T形螺栓中间采用拉带（带材）焊接形成；通过积累的紧固应用经验和工艺试验发现：这种拉带螺栓的紧固力矩，不能采用行业中一般形式的螺纹副连接的紧固力矩计算来估算力矩的设定值（设计目标值），行业中也缺少经验公式的估算方法，此外工艺试验和紧固时所表现出的拧紧特性，与常规螺纹副连接还略有不同。

我们参考欧系汽车厂采用扳手测螺栓发生屈服时来估算紧固力矩的经验[2]，以尿素箱总成零件达到屈服为参考目标，进行紧固力矩的工艺试验，找出设计目标值的可选范围。同时结合对拉带螺栓紧固力矩算、尿素罐体受力分析、紧固工具一般精度，来确定一个紧固力矩设定值。

2 紧固力矩工艺试验

2.1 产品结构

尿素箱总成产品结构如图1所示：它由拉带螺栓（2条）和螺母（规格M10粗牙/4个），通过紧固装配L形支架、尿素罐、计量泵支架、橡胶条（2条）等装配而成；其中橡胶条垫于尿素罐和拉带螺栓之间，L形支架和计量泵支架为金属的冲压件，尿素罐材料为高密度聚乙烯吹塑而成；拉带螺栓结构如图2所示，其材料为不锈钢，材料宽度25mm,厚1mm，螺纹规格M10粗牙。

2.2 紧固力矩工艺试验

随机抽样尿素箱总成的样件，样件的拉带螺栓在底部安装螺栓进行紧固，另一端松带。其中7个样件（编号Samp1 -Samp7），使用定扭力扳手（量程2Nm-10Nm/精度±3%）,分别按2Nm、3Nm、4Nm、5Nm、6Nm等依次增加扭矩，对样件采用扭矩控制法进行紧固, 依次按同一扭矩值下两条拉带螺栓先左后右的紧固方式拧紧，直至样件产生形变。

图1 尿素罐总成结构

图2 拉带螺栓结构

试验表明：扭矩增加到（5-6）Nm时，样件的计量泵支架基本都发生了形变（表1所示）；6Nm时样件的尿素罐基本都发生形变（表2所示），重新松开紧固带零件变形基本恢复；增加到8Nm左右时，计量泵支架和尿素罐形变严重，超出设计期望要求；每个样件总是计量泵支架先变形，随后尿素罐变形。

表1 样件在2Nm-6Nm下计量泵支架形变的统计结果

表2 样件在2Nm-6Nm下尿素罐形变的统计结果

2.3 工艺试验数据结论

根据产品和工艺验证2Nm的紧固扭矩，难以保障产品可靠性要求。因此从试验数据中看紧固力矩设定值在（3-6）Nm比较合适。

3 拉带螺栓紧固力矩的估算

3.1 拉带螺栓的计算建模

GB/T26547《螺纹紧固件用回转式工具性能试验方法》将螺纹副连接件的状态，根据对扭矩的影响分为3类：软连接、硬连接及中性连接(过渡连接)。而拉带螺栓与以往常规螺纹副连接的紧固件形式均不同，它的动静扭矩对比的特性有点类似于软连接，但拉带螺栓的螺栓、螺母连接处却是类似于硬连接的。目前没有相对完善的紧固力矩计算公式和研究方法，我们可以参照常规的螺纹紧固件连接受力计算方法进行估算，简化为图3的受力模型，估算的目的是对工艺试验的数据和有效性进行分析，并积累此种连接的经验和修正计算公式。

拉带螺栓的结构（图2所示），其计算模型简化为图4结构。简化后材料选用为拉带的材料（不锈钢），光杆部分的面积A=拉带截面面积=25×10-6m2（直径5.64mm）,螺纹部分仍按M10，性能等级按8.8级。

图3 螺纹紧固件连接受力示意图

图4 拉带螺栓简化模型示意

3.2 拉带螺栓的紧固力矩计算

根据QC/T518-2013的紧固力矩Tf与预紧力的关系式（1）：

扭矩系数K值及最小扭矩系数Kmin的基本公式见式（2）和式（3）[4]：

接触的支撑面为圆环状时（支架的通孔直径dh=11mm，螺母支撑面直径dW=16mm）：

最大扭矩T,max

最大预紧力F,max按材料的第四强度理论进行估算[3]

（6）

表3 符号定义及取值

符号定义及取值如下表3所示。

3.3 紧固力矩的计算结果

计算得：拉带螺栓的最大扭矩T,max≤13.9Nm。理论上拉带螺栓设定值小于13.9Nm均是合理的。

4 尿素罐体变形分析

从拉带螺栓紧固力矩的估算和工艺试验来看，尿素罐体承受不了拉带屈服变形所达到的螺栓紧固力矩。根据此类产品批量应用经验，拉带螺栓紧固力矩大于2Nm可满足紧固基本要求，拧紧力矩过高（拉带屈服变形）往往也易引起尿素罐涨箱故障；因此对尿素罐受力（紧固力矩）变形的能力进行CAE分析（如图5和图6所示）。

图5 尿素罐额定容量液体下力的加载

图6 尿素罐侧面受力变形的CAE分析

并以尿素罐受力可接受的变形量，做为衡量拉带螺栓紧固力矩的设定值是否合适的依据。尿素罐在额定容量液体下加载8Nm时，尿素罐两侧变形量分别为7.97mm和7.99mm，临近设计需求危险点。拉带螺栓的设定值推荐在2Nm-8Nm之间选择。

5 结论和工作展望

5.1 拉带螺栓紧固力矩的设定值

结合尿素箱总成的零部件螺栓紧固力矩估算和工艺试验，以及参照尿素罐受力变形的CAE分析，拉带螺栓紧固力矩的设定值应主要参照工艺试验的结果制定。

从工艺试验结果看：3Nm-6Nm是相对合理的紧固力矩设定值。但考虑到拉带螺栓紧固时，往往会超出紧固精度的标准要求（大于紧固离散度20%），具体实施时需要设定值的公差范围增大。因此需要提升尿素罐和计量泵支架强度，使拉带螺栓的紧固力矩达到3Nm-7Nm需求。

综合分析：该产品紧固力矩设定值按5Nm±2Nm控制是合理的。

5.2 拉带螺栓紧固力矩设定值的研究方法探索

拉带螺栓紧固力矩的设定值目前缺少相关公式计算和完善的研究方法，参考欧系汽车厂采用扳手测螺栓发生屈服时来估算紧固力矩的经验，不失是一个非常有效的方式。同时参照通过紧固力矩简化模型的计算以及零部件CAE分析，可以为过程能力试验分析提供输入依据。

5.3 下一步工作

紧固力矩设定值并非一定是设计要求，因为没有落实保障紧固力矩的工序过程能力分析。试生产的产品暂按扭矩5Nm±2Nm控制，并计划进行工序的过程能力分析，根据数理统计结果分析此设定值是否合理或需要调整，(如提高尿素罐刚度来调整设定值，进行工艺改进等措施)。

[1]覃祖宾.汽车装配紧固件静态扭矩应用[J].装备制造技术,2016,（3）: 152-157.

[2] 林浩.如何合理选择螺栓的装配扭矩[J].汽车与配件,2012,46(6): 1124-1136.

[3]杨泽迎,金伟,赵旭东,等.基于扭矩控制法的螺栓连接可靠性探索[J].装备机械,2016,2:26-29.

[4] QC/T518-2013,汽车用螺纹紧固件紧固扭矩[S].北京:中国计划出版社,2013.

Study on the setting value of tightening moment of tie-up bolt

Shen Chenzhen, Zhang Jinquan, Li Qiangqiang, Lv Ruochen, Wang Dandan

( Shaanxi heavy vehicle co. LTD, Shaanxi Xi'an 710021)

Elastomeric bolts with tension bands are connected without a mature formula for calculating the tightening torque and a research method. In this paper,through the test of tightening torque by the pull bang bolt connecting urea box assembly,reach the set value of tightening torque for estimated tensile bolt.In this process,the torque control method is adopted and the tightening g torque estimation and analysis method is combined.

Pull bang bolt; Tightening torque; Threaded connection

U466

A

1671-7988(2018)24-88-03

U466

A

1671-7988(2018)24-88-03

申成振，就职于陕西重型汽车有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.030