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螺紋緊固件裝配方法及裝配分級技術的應用

  本文詳細介紹了螺紋緊固件裝配方法及裝配分級技術,擰緊時根據實際聯接結構的要求,選擇最合適的方法及工藝,并舉例說明了先進裝配技術的應用,在提升可靠性的同時,可減小螺栓規格,使聯接結構緊湊,實現降重、降成本的目的,在汽車輕量化上具有重要意義。

  1. 前 言

  螺紋聯接是汽車零部件四種常用的聯接方式之一,因其結構簡單、聯接可靠,且裝配方便、易拆卸、重復使用性好,故是汽車制造技術中標準化程度最高的機械零件,也是汽車制造中較經濟的制造手段之一。

  在乘用車上平均每車用螺紋緊固件約500種4000個,重50kg;而在商用車上平均每車使用的螺紋緊固件約為7000個,重88kg,其中高強度螺栓占1/3。一臺汽車上的螺紋緊固件費用約占整車成本的2.5%,而裝配線上的螺紋緊固件聯接的工作量占70%,足見其重要性。

  2. 裝配方法

  螺紋聯接的目的是通過擰緊螺栓/螺母,將被聯接件可靠的聯接在一起,裝配的實質是控制擰緊過程中的軸向預緊力,軸向預緊力的要求是產品設計和材料工藝水平的綜合體現。

  螺紋緊固件在擰緊時,需要克服螺紋間摩擦和支撐面摩擦,以六角頭螺栓為例,擰緊時只有約10%的能量用于提供軸向預緊力,其余90%的能量都用于克服摩擦力。而在實際裝配過程中直接對預緊力進行測量監控是很困難的,只能間接控制。

  擰緊扭矩、轉角和伸長量等與軸向預緊力有一定的關系,通過控制這些參數以實現間接控制預緊力是螺紋擰緊技術的基本原理。

  典型的螺紋緊固件的裝配方法有四種:扭矩法、扭矩-轉角法、屈服點法、伸長量法。

  2.1 扭矩法

  扭矩法是應用最廣泛的一種控制方法,根據螺栓軸向預緊力與擰緊扭矩之間的基本關系,通過控制擰緊扭矩來實現對預緊力的控制,一般多用在彈性區,如圖1所示。

圖1 扭矩法

  擰緊扭矩T與軸向預緊力F的關系為:

  式中,T:擰緊扭矩,F:軸向預緊力,P:螺距,α:牙側角,d2:螺紋中徑,dW:支撐面等效摩擦直徑,μS:螺紋摩擦系數,μW:支承面摩擦系數。

  扭矩法裝配時,由于受摩擦系數的影響,軸向預緊力波動大,且未能充分利用材料潛能,螺栓強度利用率低,但因其操作簡單、成本低,且對于絕大多數螺紋聯接還是有效的,故仍是最常用的裝配方法。

  2.2 扭矩-轉角法

  扭矩-轉角法是在擰緊時達到規定的起始扭矩后(即貼合扭矩),再轉動螺紋件達到規定的角度。此種方法基于一定的角位移使螺栓產生一定的軸向伸長及被聯接件被壓縮,結果產生一定的預緊力。轉動的角度需事先通過計算或實驗來獲得。

  常用的扭矩-轉角法有兩種,一種是將螺紋緊固件擰緊到彈性區范圍,如圖2a所示,轉角與軸向預緊力的關系如下:

  式中:θ:轉角,F:軸向預緊力,P:螺距,C1:螺栓剛度,C2:被聯接件剛度。螺栓的軸向預緊力與系統剛度有關。

  另一種是螺紋聯接件被擰緊到屈服點以上,即塑性區范圍,如圖2b所示,此時軸向預緊力與螺栓的強度有關。

圖2 轉角與預緊力的關系圖

  扭矩-轉角法在擰緊過程中,摩擦系數對擰緊質量的影響?。▋H影響達到貼合扭矩時的階段,對角度控制階段無影響),可得到比較高的預緊力,且預緊力的離散度??;擰緊到塑性區時,能充分利用螺栓的承載能力,挑出質量有問題的螺栓。

  但該種擰緊方法操作復雜,成本高,不適用于小轉角的短螺栓;由于預緊力較大(尤其是擰緊到塑性區),對塑性差的螺栓及反復使用的場合,需考慮其適用性。

  2.3 屈服點法

  屈服點法,也稱扭矩斜率法,是通過監測擰緊過程中扭矩隨角度變化曲線的斜率,將螺紋件擰緊至屈服點的方法。

  在擰緊過程中,擰緊曲線從彈性區到塑性區,扭矩與角度的線性關系發生變化,斜率也發生變化。當斜率的變化達到某一范圍,就認為是達到屈服點,如圖3所示。

圖3  屈服點法

  屈服點法的擰緊質量(預緊力離散度)只與螺栓的屈服強度有關,不受摩擦系數和轉角起始點的影響,可提高裝配精度;因將螺栓擰緊至其屈服點,可最大限度的發揮螺栓的能力。

  缺點是需使用具有運算功能的自動擰緊機,控制系統復雜,價格高,對螺栓的材料、結構和熱處理要求很高,一般應用于要求比較高的裝配部位。

  2.4 伸長量法

  伸長量法,是用測微儀或超聲波等手段,測量擰緊過程中或擰緊結束后螺栓的伸長長度,利用預緊力與螺栓長度變化量的關系,控制軸向預緊力的一種方法。

  在彈性變形范圍內,軸向預緊力與螺栓的受力橫截面面積、伸長量和強度有關,即:

  式中:δb:伸長量,F:軸向預緊力,Cb:螺栓剛度,le:螺栓有效長度,Eb:螺栓彈性模量,Ab:螺栓橫截面面積。

  螺栓的強度等級和尺寸確定后,預緊力僅與螺栓伸長量有關,可排除摩擦系數、接觸變形、被聯接件變形等可變因素的影響,因此可以獲得最高的控制精度,被用作重要螺栓聯接的預緊力控制方法。

  但是測量裝置(如測微儀、超聲波等)在具體的聯接結構上實施不方便,且影響生產節拍,所以在汽車行業上至今尚未廣泛采用。在實驗室條件下,伸長量法是用于校準、標定和實驗開發不可少的手段。

  螺紋聯接的四種方法裝配方法,各有優缺點,擰緊時要根據實際聯接結構確定,要明確被聯接件的要求、軸向預緊力的精度需求和控制方法的應用場合,通過實驗和分析選擇最合適的方法。

  3. 裝配分級

  目前國內外汽車廠家對螺紋緊固件的裝配進行分級。國內汽車行業標準Q/T 518中將緊固件的擰緊精度分為3個等級,規定了不同;大眾公司對屈服點以下的裝配,分為4個等級;DEUTZ公司根據擰緊后夾緊力的波動范圍,將裝配分為3級;對于扭矩法裝配,奔馳公司分為3級,豐田公司分為5級。一汽集團將扭矩法裝配分為4級。

  螺栓裝配等級提高時,擰緊扭矩的波動范圍減小,軸向預緊力增大,螺紋聯接的可靠性提高;當夾緊力要求不變時,可減小螺栓的尺寸,實現減重,并使聯接結構緊湊。

  4. 在汽車輕量化上的應用實例

  4.1 扭矩-轉角法

  某乘用車副車架與車身聯接位置,螺栓規格M14×1.5×85,10.9級,摩擦系數μ=0.18-0.14,采用扭矩法裝配,擰緊力矩(110±20)Nm,最小軸向預緊力為34kN。

  當采用扭矩-轉角法裝配時,可選用M12的螺栓,擰緊工藝70Nm+180°,擰緊至屈服,最小軸向預緊力為44kN,滿足使用要求。不同裝配方法下的螺參數對比結果如表1所示。

  表1 不同裝配方法下螺栓參數對比

  采用扭矩-轉角法擰緊后,螺栓的使用率提高,裝配質量的穩定性也提升,并可相應的減小螺栓的規格(M14→M12),實現降重(36g),并可相應的降低成本。

  4.2 裝配分級

  以商用車某聯接結構為例,目前使用的是10.9級、摩擦系數μ=0.18-0.14、M14×1.5×70的六角法蘭面螺栓,當采用FN4級裝配時,軸向預緊力為(31-77)kN,預緊力的離散度大,當裝配等級提高至FN1級時,軸向預緊力為(73-87)kN,離散度顯著減小,最小軸向預緊力為73kN,是FN4級裝配的2.35倍(圖4a),可大幅提升螺栓利用率,并極大提升裝配質量的穩定性。不同裝配風機下螺栓參數對比結果見表2。

圖4  不同裝配等級下的擰緊扭矩和軸向預緊力

  表2 不同裝配等級下螺栓參數對比

  若FN4級裝配時的最小軸向預緊力(31kN)滿足該聯接結構的使用要求時,采用FN1級裝配可將螺栓規格減小到M10,最小軸向預緊力33kN,如圖4b所示。

  在此情況下,因螺栓規格減小,單個螺栓可實現降重66g,該聯接結構共裝配了10個螺栓,單車可實現降重660g,并可實現降低成本。

  5. 結論

  本文介紹了汽車螺紋緊固件常用的裝配方法,并介紹了裝配分級的技術,在實際擰緊時,實際聯接結構的要求,可選擇最合適的方法及工藝。

  采用了扭矩-轉角法和裝配分級技術,可提升裝配可靠性,提高螺栓使用率,在預緊力要求不變的情況下,減小螺栓的規格,并使聯接結構緊湊,實現降重、降成本,在汽車輕量化方面具有重要意義。

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