螺紋緊固件扭矩的計(jì)算、校核及應(yīng)用作以分析

在汽車(chē)裝配中，螺紋緊固件裝配的質(zhì)量將直接影響整車(chē) 裝配質(zhì)量和行駛的可靠性，為此在施加外載荷之前，需進(jìn)行 預(yù)緊即擰緊螺紋緊固件，通過(guò)產(chǎn)生的軸向預(yù)緊來(lái)夾緊被連接件，保證螺栓的可靠服役。本文對(duì)螺紋緊固件扭矩的計(jì)算、校核及應(yīng)用作以分析。

1 確定夾緊力

1.1 需求夾緊力

根據(jù)緊固件在實(shí)際連接部件的受力情況，通過(guò)受力分析及工程計(jì)算，結(jié)合實(shí)際連接部位的關(guān)鍵程度，確定被連接件所需的夾緊力即需求夾緊力。該需求夾緊力必須保證被連接件在工作過(guò)程中各種載荷沖擊下始終貼合，一般通過(guò) CAE建立模型輔助分析計(jì)算，常用的方法見(jiàn)表 1。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)夾緊力

1.2.1 擰緊系數(shù)

扭矩法夾緊力*大值和*小值的比值公式可粗略用公式

（1）表示：

一般目標(biāo)軸力的*小值與需求軸力存在一定關(guān)系（取 1.2的**余量），見(jiàn)公式（2）：

式中：Fmin 為*小夾緊力，kN；c 為夾緊力精度；F 為

公稱(chēng)夾緊力，kN；FR 為需求夾緊力，kN。

通過(guò)公式（1）和公式（2）能夠推導(dǎo)出擰緊系數(shù)，

見(jiàn)公 式（3）：

式中：α 為擰緊系數(shù)；c 為夾緊力精度。

很明顯 α 由夾緊力精度即擰緊工具精度、摩擦系數(shù)散差

和**余量確定，與螺栓尺寸無(wú)關(guān)。

因此可以結(jié)合各企業(yè)的擰緊工具精度以及所統(tǒng)一的摩擦

系數(shù)精度確定擰緊系數(shù)，見(jiàn)表 2。 

1.2.2 計(jì)算目標(biāo)夾緊力

根據(jù)公式（4）確定目標(biāo)夾緊力 Ft max。

式中：Ft max 為目標(biāo)夾緊力，kN；α 為擰緊系數(shù)；FR 為需求夾緊力，kN。

2 選擇螺紋緊固件

根據(jù)目標(biāo)夾緊力、結(jié)合加緊對(duì)象及安裝環(huán)境等，一般以

螺栓的直徑及性能等級(jí)與屈服夾緊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)選擇合適

的螺紋緊固件，即 Ft max一般為*大摩擦系數(shù)（如 0.15±0.03

時(shí)取 0.18）對(duì)應(yīng)屈服夾緊力 Ffy的 80%～90%合適。

屈服夾緊力根據(jù)公式（5）計(jì)算而來(lái)（來(lái)源于 VDI 2230[2]）。 

式中：Ffy 為螺栓屈服夾緊力，kN；A0 為應(yīng)力面積，

A0=πd0 2 /4，mm2；RP0.2min 為螺栓屈服強(qiáng)度，MPa；d0 為應(yīng)力

直徑，mm；d2 為螺紋中徑，mm；P 為螺距，mm；μth 為螺

紋摩擦系數(shù)。

根據(jù)選擇螺栓屈服夾緊力的 85% 計(jì)算*大安裝扭矩

MA max，見(jiàn)公式（6）。 

式中：MA max為*大安裝扭矩，Nm；Ffy 為選擇螺栓的屈服夾緊力，kN；P 為螺距，mm；d2為螺紋中徑 d2=d?0.6495P，mm；μth min為螺紋摩擦系數(shù)*小值， 如 0.15±0.03 時(shí)取 0.12；

μb min為支撐面摩擦系數(shù)*小值，如 0.15±0.03 時(shí)取 0.12；

Dkm為支撐面的摩擦直徑，Dkm=2/3×（dw 3 -dh 3）（/ dw 2 -dh 2）， mm；

注：dw為支撐面或墊圈直徑，dh為螺栓或螺釘通孔直徑。

按公式（7）和（8）分別計(jì)算目標(biāo)安裝扭矩 MA 和*小安裝扭矩 MA min. 

4 扭矩的校核

根據(jù)*小安裝扭矩，計(jì)算*小目標(biāo)夾緊力，見(jiàn)公式。

同時(shí)考慮夾緊力衰減和避免被連接件表面壓潰情況，對(duì)目標(biāo)夾緊力進(jìn)行校核，夾緊力衰減校核方法參考公式（10）和公式（11），避免表面壓潰校核見(jiàn)公式（11）：

Ab min 為承載面積，詳見(jiàn) GB/T 16823.1[4]，mm2； P_G為被連接件的抗壓強(qiáng)度。

上述校核結(jié)果均滿足時(shí)，可以判定確定的扭矩范圍（MA± △MA）合理，否則需要返回重新選擇螺栓進(jìn)行計(jì)算與校核，直至校核完全滿足為止。

5 扭矩的驗(yàn)證

為確保整車(chē)的**性和可靠性，需要對(duì)計(jì)算的扭矩進(jìn)行工藝驗(yàn)證，對(duì)于非沖擊扳手工序（擰緊機(jī)、定扭電槍、定扭風(fēng)槍等）一般是測(cè)量不同狀態(tài)下的殘余扭矩，用測(cè)得的殘余扭矩與扭矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)照，確定連接副是否可靠，是否對(duì)行車(chē)**帶來(lái)隱患；對(duì)于沖擊扳手工序，由于精度無(wú)法控制，殘余扭矩?zé)o明顯規(guī)律，故采用劃線法判定是否存在松動(dòng)，間接判定是否連接可靠。

對(duì)于自動(dòng)擰緊機(jī)的工位，能及時(shí)記錄緊固件的動(dòng)態(tài)扭矩， 即緊固件被緊固、擰緊過(guò)程中測(cè)量的扭矩峰值，通過(guò)動(dòng)態(tài)扭矩?cái)?shù)據(jù)分析，可監(jiān)控扭矩的擰緊狀態(tài)、評(píng)價(jià)工藝能力和連接可靠性。

5.1 殘余扭矩法驗(yàn)證

5.1.1 殘余扭矩定義

在一般情況下測(cè)試采用在安裝結(jié)束后靜置三分鐘后進(jìn)行測(cè)試，采用再次擰緊的方式下，驅(qū)動(dòng)角度一般在 5°到 10°之間，從測(cè)試力矩扳手（表盤(pán)式、數(shù)顯式等，見(jiàn)圖 1）上讀取的數(shù)值為殘余扭矩。