螺纹紧固件连接是汽车常用连接方式之一,其中还有焊接、铆接与粘胶连接等。螺纹紧固件连接其目的是使被连接零件紧密贴合,并承受一定的外力,具有精度高、装配方便和零部件拆装便利等优点。 螺纹连接件所受外力有4种,拉应力、剪切力、拉应力+弯曲应力、拉应力+弯曲应力+剪切应力等。若要保证螺纹紧固件连接副能克服被连接零部件所受的各种静态外力或动态外力,螺纹紧固件对被连接零部件要产生一个轴向夹紧力,该轴向夹紧力由所施加扭矩提供。螺栓克服摩擦力并按螺栓与被连接零部件的刚性比关系实现弹性变形,从而在螺栓两端贴合面间形成夹紧力。正确的拧紧过程应该对此夹紧力进行控制,因此装配拧紧的实质是将螺栓的轴向夹紧力控制在适当的范围。 在螺纹紧固件连接副装配过程中,夹紧力的离散度受到所选择的装配方法和其他外部条件的影响。在装配时,夹紧力必须足够大,以保证被连接零部件在工作过程中能够可靠贴合,不会发生相对移动;另一方面,所施加的夹紧力必须保证螺栓和被连接零部件在装配和服役过程中不会发生破坏或塑性变形。市场调研显示,螺栓连接中产生的绝大多数问题,如螺栓松动、断裂、被连接零部件压陷、破坏等,都是由于夹紧力不精确或不正确所导致的。研究表明,螺栓的轴向夹紧力越大,其抗松动和抗疲劳性能越好,通常螺栓拧紧至屈服时使用效果最好。 目前在汽车装配现场,考虑到实际的生产节拍和操作,无法正确测量每个螺栓连接副的夹紧力,因此可将扭矩作为中间量值来评价螺栓连接副的装配质量。对扭矩控制而言,拧紧工具的控扭精度和拧紧工艺方法是两大关键。一般情况下,气动工具的控扭精度为10%~40%;手动定扭扳手精度为10%左右;电动拧紧机的控扭精度可达3%~5%。其中拧紧工具和控扭精度直接决定了装配的等级。 国内汽车行业标准QC/T518-2013汽车用螺纹紧固件紧固扭矩中将紧固件的扭紧精度分为3个等级,Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级,不同等级扭紧精度对应的扭矩公差和扭矩比见表1。 表1 不同等级扭紧精度对应的扭矩比 注: K1=紧固扭矩最小值/紧固扭矩最大值 以10.9级摩擦系数0.12的M20X1.5X100六角螺栓为例,采用Ⅲ级装配时,目标紧固扭矩小,而扭矩波动范围大,作用造螺纹上的夹紧力最小,提高装配等级后目标紧固扭矩提高,且扭矩波动范围变小,夹紧力提高。其中Ⅰ级的装配的目标扭矩比Ⅲ级装配提高了0.087%,作用在螺纹上的夹紧力提高了32.5%。根据国外的螺纹紧固件装配标准规定,当螺纹连接级别为Ⅲ级时,若使用M16的螺栓可满足使用要求;当选择Ⅰ级装配时,螺栓的规格可减少为M12。 对汽车螺纹紧固件的装配进行分级很有必要。紧固件供应商在接单时,首先应考虑技术协议的要求,相比于Ⅲ级装配,而采用Ⅰ级装配,螺栓的目标紧固扭矩增大,扭矩波动范围减小,螺栓上的夹紧力提高;当连接结构对螺栓的夹紧力要求不变时,采用Ⅰ级装配,可减小螺栓尺寸,实现减重轻量化、且使结构紧凑。
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