扭矩控制方法研究

SunFMEA

螺纹连接通过螺栓轴向预紧力来连接两个零件，是机械产品中常用的连接方式，螺栓轴向预紧力对连接强度、螺纹副防松、被连接件间的密封等有直接影响，稳定和大小适宜的轴向预紧力是可靠连接的前提。实际工作中，不能方便地直接测量螺栓轴向夹紧力，所以，一般需通过对螺栓扭矩的控制来得到合适的轴向夹紧力。

工程车前后桥与钢板弹簧的装配过程中，骑马螺栓螺母的预紧，在确认联接件、螺纹副、操作方法等处于稳定状态的情况下，使用电动拧紧机拧紧所要测量的螺母，再通过数显扭矩扳手检测扭矩值时，发现扭力矩值不一致，达不到工艺规定的扭力矩值要求（如表1）。本文对此问题进行了检测分析并提出了解决问题的方法。

前提条件：1.工艺规定力矩：200N.m～250N.m ；2.拧紧机设定力矩值：250N.m。

                               
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一、影响扭矩的因素分析

扭矩、摩擦力和夹紧力的关系如图1所示：扭矩(M)=力(F)×力臂(L)

                               
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根据扭矩与拧紧技术的原理，扭矩、摩擦力和夹紧力的关系如图2 所示。螺栓在拧紧中拉伸，就对连接件产生了夹紧力，而在装配过程中需要的正是连接件中的夹紧力，而在紧固过程中一般90% 的扭矩被摩擦力消耗，只有10%的扭矩转化为夹紧力。但在实际装配过程中夹紧力是不能测量，很难检测，我们能够测量的是扭矩。

                               
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1、摩擦力的影响

通过测算：摩擦力的变化，会导致连接件中的夹紧力有40%的变化。从扭矩控制的方法分析，当螺纹连接时，螺栓轴向预紧力F 与拧紧时所施加的拧紧扭矩T 成正比关系。用T＝KF 表示，K 为扭矩系数，其值大小主要由接触面之间、螺纹牙之间的摩擦阻力决定。一般情况下，K值约在0.2～0.4 之间，而有时达到在0.1～0.5 之间，所以摩擦阻力的变化对扭矩影响很大，即使用相同的设定扭矩值拧紧两个不同摩擦阻力的连接件时，所获得的螺栓扭矩相差很大，最大可达一倍。使用不同螺母状态，其摩擦力不同，扭矩随之改变。

2、连接方式

连接方式分为硬连接、中性连接与软连接。通过试验可知，连接体的弹性系数不同，表面加工方法和处理方法不同，对扭矩系数K 值有很大的影响，从而影响扭矩，根据QC/T518-2007汽车用螺纹紧固件拧紧扭矩规范要求，8.8级M14×1.5的螺栓，其扭矩为146N.m～206N.m，通过将其装于硬连接、中性连接与软连接部位进行试验并统计分析与计算得出，硬连接时静态扭矩为156N.m～248N.m，中性连接时静态扭矩为141N.m～247N.m，软连接时静态扭矩为108N.m～262N.m，通过试验其影响扭矩达±27.2%。在拧紧过程中，在螺栓轴向方向连接件及被连接件变形越大，该连接越“软”，反之越“硬”，在实际屈用中，硬连接的拧紧角度小于30°，软连接的拧紧角度大于720°，但大多数连接为中性连接，其拧紧角度在30和720°之间。连接方式对扭矩的影响如图3：

                               
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3、其他影响扭矩的因素

装配过程中的振动；工件的状态(装配件变化、装配零件尺寸变化)；孔错位、零件错位（如图A、B）、零件不对（如图C 螺栓过长）致紧固时受力不均，严重影响扭矩值。关联零件没有装配到位，工装夹具不到位同样致紧固时受力不均，影响扭矩值。拧紧的精度；测量的时间；人员状态(力量大小、用力均匀性、到位状态感知等)。在螺栓直径、被连接件表面摩擦系数、螺纹副摩擦系数和连接方式已确定的情况下，电动拧紧机拧紧螺母后输出扭矩与用数显扭矩扳手检测螺母扭力矩值不一致的原因，分析屈是动态扭矩与静态扭矩产生的影响。

                               
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二、动态扭矩、静态扭矩及其影响因素

静态扭矩——手动拧紧工具对已拧紧的螺栓加一个顺螺栓拧紧方向逐渐增大的扭矩，直至螺栓再一次产生拧紧运动的瞬间，记录下的刚产生运动的扭矩值，即为静态扭矩。如所用扭力扳手测量所得到的扭矩。

动态扭矩——是自动拧紧工具在拧紧过程最终或扭转过程所得到的扭矩值。如专用车车间四轴前后桥U 型螺栓拧紧机最终显示的扭矩是动态扭矩。

通常拧紧规范规定的是动态扭矩。动态扭矩和静态扭矩存在差别，有时二者相差可达30%甚至更大。造成差异的主要因素包括：软性粘结点(衬垫和密封圈)；拧紧的时间；工件的状态(是否已经用过)；人员状态(力量大小、用力均匀性、到位状态感知等)。

为了对动态扭矩与静态扭矩进一步检测分析，在不装钢扳弹簧及相关零件，仅用五眼板装于骑马螺栓上进行定位后带上螺母的情况下，用拧紧机紧固后进行扭矩检测，如下表2：

                               
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从表2可以看出，同样的输出设定值，拧紧机显示的动态扭矩值与测量的静态扭矩值都不一样，但动态扭矩比静态扭矩更加准确，重复性更强。为了正确控制前后桥钢板弹簧骑马螺栓的扭力矩，通过进一步实验、统计分析，制定了检验静态扭矩与拧紧机设置动态扭矩，经过在生产过程中的实施及跟踪验证，钢板弹簧骑马螺栓的扭力矩得到了有效控制。

三、扭紧力矩控制

1．静态扭矩值的正确评价采用通过采集100个实际扭矩测量值，然后借助统计分析的方法求出标准偏差s，再根据装配的实际情况以±2s 或±3s 作为控制范围的上、下屈限，用作检验、评价螺栓连接拧紧效果，且所测量的静态扭矩值必须在设定的上下屈限范围内。但在制定静态扭矩值的过程中，由于人员、时间的限制，不可能每一个紧固螺栓都能测量100次，为了既能得到正确的扭力矩，又能快速方便制定静态扭力矩值，可通过下面的经验公式（T：图示中间值；

a：图示公差；So：检查中间值；b：检查公差）计算出静态检查中间值So 与静态公差b，结合通用全球静态力矩规范发布及更新流程（NOA 第GGAS-345号）公差变化≤35%，中值变化≤15%的要求计算确定检查静态扭矩值。

                               
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2. 编制动态扭力矩与静态扭力矩对照表作为实际生产的控制范围与检验所用，如表3。

                               
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3．制定静态扭矩检测规范。

四．结束语

钢板弹簧骑马螺栓拧紧是汽车装配扭矩控制重点之一，合格力矩控制对装配质量至关重要，但影响力矩的因素较多，在实际生产尤其是大批量生产过程中力矩的控制是一项复杂的工作，通过力矩的影响分析，找到动态力矩与静态力矩的关系，并推广屈用于公司实施的质量控制QCOS中，解决生产实际螺栓扭紧力矩的控制方法，提高产品质量的稳定性。