覃祖賓

（上汽通用五菱汽車股份有限公司整車制造部總裝工程科，廣西 柳州545007）

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汽車裝配緊固件靜態(tài)扭矩應用

覃祖賓

（上汽通用五菱汽車股份有限公司整車制造部總裝工程科，廣西 柳州545007）

摘要：針對汽車裝配緊固件的擰緊問題，根據(jù)螺紋連接特性，對動態(tài)、靜態(tài)扭矩進行闡述，并利用SPC原理，研究靜態(tài)扭矩的控制，針對汽車裝配緊固件進行過程監(jiān)控，以確保汽車零部件在整車上的安裝連接的穩(wěn)定性得到保證。

關(guān)鍵詞：汽車裝配；緊固件；動態(tài)扭矩；靜態(tài)扭矩

近年來，上汽通用五菱（SGMW）在新產(chǎn)品研發(fā)、產(chǎn)能建設(shè)方面得到了持續(xù)、快速的發(fā)展，新產(chǎn)品更是推出占領(lǐng)MPV、SUV銷量排行榜前位的五菱宏光、寶駿730系列和寶駿650系列，產(chǎn)品定位呈現(xiàn)逐步提高的趨勢。同時，隨著寶駿基地一二期、重慶基地和新能源工廠的建設(shè)，公司已經(jīng)形成了250萬以上的年生產(chǎn)能力。在產(chǎn)品研發(fā)、市場占有不斷做大、做強的同時，如何提升整車制造質(zhì)量，提供高品質(zhì)的整車產(chǎn)品給下游客戶，是總裝制造工程師（ME）需要研究的課題。螺紋連接是汽車總裝中最廣泛的緊固方式，螺紋連接中的扭矩的控制直接影響裝配質(zhì)量。為此，本文介紹了靜態(tài)扭矩控制范圍計算方法在汽車裝配工藝過程中的應用。

1　螺紋連接

1.1螺紋連接原理

汽車整車裝配，是汽車制造過程中關(guān)鍵的一環(huán)，而螺紋連接，則是裝配過程中應用最廣泛的連接方式。其通過施加一定的扭矩在螺紋副上，將連接件相互穩(wěn)定固定在一起，滿足其設(shè)計性能要求。扭矩控制方法主要有扭矩控制法、扭矩/轉(zhuǎn)角控制法、屈服點控制法、質(zhì)量保證法、扭矩斜率法，其中的扭矩控制法由于其控制方法簡單、控制成本低、易于監(jiān)控而成為汽車裝配最常用的控制手段［1］。裝配時，施加設(shè)定的扭矩在螺母（螺栓）上，通過螺栓彈性變形產(chǎn)生的拉伸使被連接的工件之間產(chǎn)生足夠的夾緊力，滿足設(shè)計緊固要求（如圖1所示）。

圖1　螺紋連接受力示意圖

1.2螺紋連接特性

螺紋副扭矩的控制，直接關(guān)聯(lián)整車的質(zhì)量和運行可靠性。影響裝配扭矩的因素有很多：螺紋件的材料、直徑，螺紋的表面粗糙度，螺栓（母）和連接件接觸面的摩擦系數(shù)，擰緊工具的精度、轉(zhuǎn)速，擰緊工藝順序等都對最終扭矩結(jié)果有著重要的影響。除此以外，螺紋副聯(lián)接件的狀態(tài)，也對最終扭矩的形成有著關(guān)鍵的作用。

在GB/T 26547-2011《螺紋緊固件用回轉(zhuǎn)式工具性能試驗方法》中描述：螺紋副連接件的狀態(tài)，根據(jù)對扭矩的影響分為3類：軟連接、硬連接及中性連接（過渡連接）。軟連接是指螺紋副連接件自身材質(zhì)較軟或連接件中間夾有橡膠件等彈性材料，擰緊時，在螺紋副達到貼合點后需要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)720°以上才能達到目標扭矩，擰緊后扭矩存在衰減。硬連接是指連接件硬度大、剛性、結(jié)合面光滑且貼合度高，擰緊時，螺紋副達到貼合點后需要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)30°以下就能達到目標扭矩，擰緊后，扭矩有可能呈現(xiàn)反沖（過擰緊）現(xiàn)象。中性連接（過渡連接）是指介于軟連接和硬連接之間的連接件，其擰緊后一般不會出現(xiàn)扭矩衰減和反沖現(xiàn)象［2］。

2　動、靜態(tài)扭矩定義及特征

SGMW裝配螺紋副連接原使用的是由設(shè)計工程師發(fā)布的設(shè)計扭矩，其即是擰緊過程的控制扭矩范圍，同時也作為擰緊結(jié)果檢測扭矩范圍使用。但由于存在軟連接和硬連接螺紋連接特性，致使已經(jīng)按設(shè)計規(guī)范進行擰緊操作的緊固件，在對擰緊結(jié)果進行檢測的時候，也會出現(xiàn)扭矩衰減（反沖）或超出扭矩設(shè)計范圍的情況。為了有效解決該問題，真實地體現(xiàn)扭矩過程質(zhì)量，應該將螺紋扭矩按動態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩進行區(qū)分，即擰緊過程使用動態(tài)扭矩進行控制，扭矩結(jié)果使用靜態(tài)扭矩進行監(jiān)控。

2.1動態(tài)扭矩

動態(tài)扭矩是設(shè)計工程師依據(jù)零件緊固所需要的軸向預緊力進行計算、要求緊固過程執(zhí)行的扭矩控制范圍。裝配現(xiàn)場使用動態(tài)扭矩的中值設(shè)置好的擰緊工具進行擰緊，在擰緊過程最終或扭轉(zhuǎn)過程所得到的扭矩峰值即為動態(tài)扭矩測量值（帶傳感器及顯示裝置的擰緊槍可直接顯示出最終實施的動態(tài)扭矩）。

2.2靜態(tài)扭矩

靜態(tài)扭矩是對擰緊狀態(tài)的螺紋緊固件繼續(xù)擰緊、螺紋副發(fā)生相對轉(zhuǎn)動瞬間的扭矩。測量靜態(tài)扭矩時，可用扭矩測量工具對已擰緊的螺栓（螺母）沿著擰緊方向逐漸增大扭矩，直至上螺栓（螺母）再一次產(chǎn)生擰緊運動的瞬間，電子儀器或表盤指針記錄下的剛產(chǎn)生運動的扭矩值，該扭矩值即為靜態(tài)扭矩測量值。

根據(jù)螺紋連接特性的不同，靜態(tài)扭矩和動態(tài)扭矩之間呈現(xiàn)如表1所示的3種規(guī)律性：

表1　螺紋特性對扭矩的影響

通過現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可以清晰地證明以上所述的動態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律性。如表2中的數(shù)據(jù)，就是一個偏向軟連接連接點的動態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩測量值的對比，由于受到螺紋連接件上的彈性材料影響，測量到的靜態(tài)扭矩值出現(xiàn)了衰減現(xiàn)象，整體要明顯低于擰緊過程中的動態(tài)扭矩測量值。

表2　軟連接緊固點動靜態(tài)扭矩對比表

表3的表現(xiàn)是一個偏向硬連接點的靜態(tài)扭矩，由于受到靜態(tài)摩擦力的作用，出現(xiàn)了一定程度的扭矩反沖，導致其測量值要明顯高于動態(tài)扭矩。

表3　硬連接緊固點動靜態(tài)扭矩對比表

3　靜態(tài)扭矩控制范圍計算

3.1計算步驟

由于存在不同的3種螺紋連接特性，故針對擰緊過程采用的動態(tài)扭矩，我們需要計算出一個相對應的靜態(tài)扭矩上下限來進行擰緊過程的監(jiān)控和檢測，以便真實地判斷和反映擰緊過程及零件的狀態(tài)是否處于質(zhì)量受控的范圍之內(nèi)。對于靜態(tài)扭矩范圍的計算，我們制定了一整套流程，主要由2個步驟組成：

步驟1：扭矩數(shù)據(jù)收集

新產(chǎn)品開發(fā)階段，從項目試生產(chǎn)線上造車階段開始，在確保人機料法環(huán)都處于穩(wěn)定、正確的狀態(tài)后，通過采用設(shè)計工程師發(fā)布的動態(tài)扭矩中值（名義值）設(shè)置的扭矩工具對相應緊固點進行扭矩實施，并收集3組各10個共30個（3*10）連續(xù)的動態(tài)扭矩及對應的靜態(tài)扭矩數(shù)值。實施扭矩的時候，如果使用的是帶傳感器的電擰緊槍，可以直接通過其系統(tǒng)顯示屏讀取動態(tài)扭矩值。如果使用的是無傳感器的預置式扭力工具（離合斷氣式、Click扳手等），可以通過在扭力工具的輸出端上串接在線動態(tài)扭矩采集傳感器進行動態(tài)扭矩收集。

在緊固件擰緊操作完成5分鐘內(nèi)，需要進行靜態(tài)扭矩的采集。靜態(tài)扭矩采集可以使用常規(guī)的扭矩檢測工具，如表盤式扭力扳手、數(shù)顯扭力扳手，但為了保證靜態(tài)扭矩的釋放范圍和后續(xù)進行扭矩檢測獲取的數(shù)值基準一致，建議前后每個階段所使用的靜態(tài)扭矩采集工具保持一致。在我公司，使用的是ASI DM600手持式數(shù)據(jù)采集儀進行扭矩收集（如圖2所示）。使用時，套上對應尺寸的套筒，并設(shè)置到相應的數(shù)據(jù)收集模式，按使用操作規(guī)范進行扭矩采集，即可測量并存儲對應緊固點的靜態(tài)扭矩。

圖2　ASI DM600手持式數(shù)據(jù)采集儀

步驟2：靜態(tài)扭矩范圍計算

動態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩的3*10組數(shù)據(jù)分別采集完畢后，工藝工程師首先需要利用動態(tài)扭矩數(shù)據(jù)對扭矩實施的過程能力進行檢查：計算這30個動態(tài)扭矩值與設(shè)定值（動態(tài)扭矩名義值）的差值的平均值，如果平均值在動態(tài)扭矩名義值的5%的范圍之內(nèi)，則驗證合格，過程在可接受的范圍之內(nèi)，相對應的靜態(tài)數(shù)據(jù)可以用于該緊固點靜態(tài)扭矩范圍的釋放計算。

針對靜態(tài)扭矩范圍的釋放計算，我公司使用一個專用EXCEL表格，表格中預先設(shè)定了相關(guān)的靜態(tài)扭矩算法、涉及的各類系數(shù)和判斷原則。工程師只要將收集到的動、靜態(tài)扭矩信息分別按順序輸入，EXCEL表格即可自動對靜態(tài)扭矩分步驟進行計算、分析和判斷。為了便于闡述整個步驟，以下結(jié)合一個實例進行計算過程分析。

3.2靜態(tài)扭矩計算案例

例如我公司新開發(fā)的某車型，設(shè)計工程師針對某零件，采用了4顆M14的安裝螺栓，發(fā)布螺紋緊固件的動態(tài)扭矩為（108±12）N·m.試生產(chǎn)階段，工藝工程師將該緊固點對應的電擰緊槍輸出扭矩定置到108 N·m，利用預設(shè)定好的擰緊程序?qū)υ摼o固點進行緊固，并記錄下擰緊系統(tǒng)控制柜上顯示的動態(tài)扭矩值。同時，在動態(tài)扭矩實施5分鐘內(nèi)，由質(zhì)量工程師使用DM600手持式數(shù)據(jù)采集儀進行靜態(tài)扭矩采集，獲取的動靜態(tài)扭矩分別如表4所示。

表4　扭矩數(shù)據(jù)收集表

將本案例中采集的動、靜態(tài)扭矩數(shù)據(jù)分別輸入用于計算靜態(tài)扭矩的EXCEL表格中，如截圖（圖3），其自動得出均值（MEAN）分別為108.38 N·m和94.27 N·m.

圖3　動、靜態(tài)扭矩值填寫界面截圖

針對動態(tài)扭矩，要求其CPK≥1.33，方能滿足靜態(tài)扭矩的計算的要求。本例中采用電擰緊槍進行扭矩實施，根據(jù)動態(tài)扭矩實測值和動態(tài)扭矩上限（USL）、下限（LSL）。表格主動算出均值（X-bar）為108.38 N·m，極差均值（R-bar）為0.24，Sigma（σ）為0.14，故獲得動態(tài)扭矩CPK=27.32＞1.33，滿足要求，如圖4所示。

圖4　動態(tài)CPK計算界面截圖

同時，表格根據(jù)預設(shè)的公式和系數(shù)，計算出靜態(tài)扭矩的均值（X-bar）為94.27，極差均值（R-bar）為5.73，Sigma（σ）為3.38，并根據(jù)±3σ原則計算出靜態(tài)扭矩的理論控制上限（USL）為107.78 N·m，下限（LSL）為80.77 N·m，平均取整后得出本控制點的靜態(tài)扭矩中值（既均值Mean）為94 N·m，公差（Tolerance）為±14（即靜態(tài)扭矩控制范圍：80～108 N·m），如圖5所示。

圖5　靜態(tài)扭矩控制范圍計算界面截圖

針對采集的動靜態(tài)扭矩數(shù)據(jù)，還需要利用SPC統(tǒng)計質(zhì)量分析中的X-R圖進行擰緊過程穩(wěn)定性的分析。如圖6為本案例的動態(tài)扭矩X-R圖，通過SPC判異八原則可以看出，其過程是穩(wěn)定且在規(guī)范之內(nèi)的。

圖6　動態(tài)扭矩X-R圖

計算完成后，靜態(tài)扭矩范圍（New Static Torque Spec）還需要滿足兩個條件，才能合格釋放：首先，靜態(tài)扭矩公差和靜態(tài)名義值的比值要小于35%（Is the range less than 35%）；其次還要求靜態(tài)扭矩名義值與動態(tài)扭矩名義值的差值和動態(tài)名義值的比值小于15%（Is the mean shift less than 15%）。在本案例中，靜態(tài)扭矩公差和靜態(tài)名義值的比值（Range）：14÷ 94*100%=14%＜35%；靜態(tài)扭矩名義值與動態(tài)扭矩名義值的差值和動態(tài)名義值的比值：（108-94）÷ 108*100%=13%＜15%，兩項均符合要求條件，故均判斷為“Yes”。由于滿足了靜態(tài)扭矩釋放的所有條件，系統(tǒng)自動判斷靜態(tài)扭矩范圍（This Static Specification）計算合格（Approve）。如EXCEL計算表格截圖（圖7）所示。

圖7　靜態(tài)扭矩控制范圍合格與否判斷界面截圖

靜態(tài)扭矩范圍計算完成后，工藝工程師需要將數(shù)據(jù)反饋給產(chǎn)品工程師，后者將根據(jù)新產(chǎn)品試制、路試的各個階段的扭矩抽檢數(shù)據(jù)或歷史經(jīng)驗值進行確認。而針對該緊固點偏軟連接的特性，最終確定：靜態(tài)扭矩范圍為80～108 N·m.

在正式生產(chǎn)前，工藝工程師需要將整車所有的動靜態(tài)扭矩范圍整理成表，并將扭矩表發(fā)布給制造系統(tǒng)和質(zhì)量區(qū)域，后兩者依據(jù)靜態(tài)扭矩范圍進行日常的靜態(tài)扭矩檢測、監(jiān)控。

3.3問題解決

根據(jù)以往的經(jīng)驗，通過首次采集的靜態(tài)扭矩測量值計算出來的靜態(tài)扭矩范圍，大約有20%左右的緊固點，計算結(jié)果無法直接滿足以上的判斷條件。針對這些點，工藝工程師需要組織車間、設(shè)計工程師、質(zhì)量工程師一起分析原因。不合格內(nèi)容主要有3個方面：

（1）靜態(tài)扭矩衰減大，小于動態(tài)扭矩名義值15%的范圍。通過分析，主要原因有（按發(fā)生的頻率遞減排列）：

1）緊固連接件為軟連接特性（如彈性結(jié)構(gòu)、橡膠材料、彈墊等）；

2）零件制造質(zhì)量問題（如連接件不貼合、干涉、焊接件板材間有縫隙等）；

3）零件設(shè)計缺陷（如螺栓與工件接觸面積過小、工件強度不足等）；

4）測量在五分鐘之后（如經(jīng)過啟動后，螺桿與連接件的熱膨脹系數(shù)差異）；

5）其他。

（2）靜態(tài)扭矩反沖大，大于動態(tài)扭矩名義值15%的范圍。通過分析，主要原因有（按發(fā)生的頻率遞減排列）：

1）緊固連接件為硬連接特性；

2）操作不規(guī)范（如Click過擰）；

3）預緊動力工具轉(zhuǎn)速過高；

4）電擰緊槍擰緊程序不合理（如擰緊階段轉(zhuǎn)速過高）；

5）其他。

（3）靜態(tài)扭矩公差范圍大，超出35%的范圍。通過分析，主要原因有：

1）零件制造質(zhì)量差、加工一致性低（如工件厚度、涂層厚度、平面度不一致）；

2）同一連接件，多顆緊固螺栓（母）數(shù)據(jù)混合計算；

3）預緊工具精度差，操作差異（如使用沖擊扳手預緊）；

4）操作不規(guī)范（如Click過擰、未按順序緊固）；5）其他。

通過對不合格緊固點的人機料法環(huán)進行詳細分析，逐一排除不合格因素后，再收集一批穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，按上述的流程進行靜態(tài)扭矩計算、釋放。需要特別說明的是，即使排除掉所有的不合格因素，由于存在螺紋連接的軟連接和硬連接特性，仍然會有5%左右的緊固點、靜態(tài)扭矩名義值任然會超過動態(tài)扭矩名義值的15%范圍，對于這部分，將通過對比路試扭矩、量產(chǎn)車的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行分析、判斷正常后，予以發(fā)布。

3.4其他注意事項

（1）在靜態(tài)扭矩范圍值完成計算之前，可使用動態(tài)扭矩作為初始靜態(tài)扭矩應用。

（2）某零件采用的多顆緊固件時：如果靜態(tài)扭矩測量值無明顯差異，在設(shè)計動態(tài)扭矩、緊固件一致的前提下，靜態(tài)扭矩范圍可共用；如各緊固點的靜態(tài)扭矩測量值有明顯差異，需要分別計算、釋放靜態(tài)扭矩。

（3）靜態(tài)扭矩范圍釋放后，在設(shè)計參數(shù)（如動態(tài)扭矩、零件結(jié)構(gòu)、緊固件發(fā)生變化等），工藝工程師需要重新進行數(shù)據(jù)收集，釋放靜態(tài)扭矩范圍。

（4）制造條件發(fā)生改變后（如工具或設(shè)備擰緊程序變化、生產(chǎn)線變化、工藝順序變化等），如果檢測到的靜態(tài)扭矩與現(xiàn)行靜態(tài)扭矩范圍發(fā)生偏移，需要反饋工藝工程師重新釋放靜態(tài)扭矩范圍。

（5）有涂膠、帶防松的螺紋緊固件及轉(zhuǎn)角、屈服控制法擰緊的螺紋緊固件不適合采用本方法。

4　過程扭矩監(jiān)控

生產(chǎn)制造和質(zhì)量區(qū)域接收到工藝工程師發(fā)布的靜態(tài)扭矩范圍后，依據(jù)公司QCOS（Quality Control Operati System）控制程序要求開展相關(guān)的扭矩控制、質(zhì)量監(jiān)控工作。主要過程有：

（1）質(zhì)量區(qū)域根據(jù)工藝工程師發(fā)布的靜態(tài)扭矩清單和緊固件控制等級，編制并發(fā)布QCOS臺賬給生產(chǎn)制造區(qū)域。生產(chǎn)制造區(qū)域則根據(jù)QCOS臺帳、組織相應的控制資源按規(guī)范編制扭矩控制趨勢表（見表5）。

表5　扭矩控制趨勢表

（2）生產(chǎn)工位按操作指導進行扭矩操作后，每個班次按要求對QCOS臺賬里的扭矩控制點按1次/2小時進行靜態(tài)扭矩的抽檢，并將相關(guān)信息填寫到控制操作趨勢表里。如果出現(xiàn)連續(xù)4點在A區(qū)，班組需調(diào)查問題根本原因，并制定糾正措施；發(fā)現(xiàn)扭矩超差，需要往前往回進行100%的檢查，直到連續(xù)5輛車扭矩合格，并記錄下采取對策和車架號；對不合格扭矩，進行原因分析并按相關(guān)規(guī)范采取對應措施。

（3）質(zhì)量工程師按期對扭矩控制趨勢表里的內(nèi)容進行分析，掌握所有扭矩控制點的穩(wěn)定程度并制定相應的提升計劃，確保各級別緊固點的動態(tài)扭矩過程能力（CPK）和靜態(tài)扭矩的合格率滿足既定的扭矩質(zhì)量目標。

5　結(jié)束語

緊固件螺紋連接，作為汽車裝配過程中應用最廣泛的連接方式，其扭矩控制過程對于整車的質(zhì)量保證有著至關(guān)重要的意義。當前國內(nèi)很多汽車廠很早就已經(jīng)引入動靜態(tài)扭矩概念并且成熟的運用在實際生產(chǎn)中。我公司總裝ME（Manufacturing Engineering）也在近年新開發(fā)的產(chǎn)品上成功進行了靜態(tài)扭矩范圍計算，并運用到了實際生產(chǎn)質(zhì)量控制過程，目前正聯(lián)合設(shè)計、質(zhì)量、車間等相關(guān)區(qū)域，完善靜態(tài)扭矩控制范圍計算流程，按計劃把靜態(tài)扭矩應用到其他的量產(chǎn)車型中。隨著扭矩控制理念的轉(zhuǎn)變、靜態(tài)扭矩控制的應用，以往采用唯一扭矩兼顧過程和結(jié)果檢測帶來的各種不合理現(xiàn)象將得到根本消除，整車制造質(zhì)量將進一步得到穩(wěn)定和提升。

參考文獻：

［1］趙建林.變速箱裝配過程螺栓扭矩的控制［J］.機械工程師，2012，（10）:131-132.

［2］李同科，簡學利.動、靜態(tài)扭矩在汽車裝配扭矩控制中的應用［J］.汽車工藝與材料，2010，（4）：33-37.

Static Torque Development for Vehicle Assembly Fastener

QIN Zu-bin
（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Vehicle Manufacture Department GA Engineering Section，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Abstract：This paper is written on vehicle assembly fastener tightening area.According to screw thread conection charateristics，this paper describe dynamic and static torque，with using SPC theory，make research and develop static torque，monitor vehicle assembly fastener to ensure vehicle parts conection stability.

Key words：vehicle assembly；fastener；dynamic torque；static torque

中圖分類號：TH823.4

文獻標識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）03-0152-05

收稿日期：2015-12-17

作者簡介：覃祖賓（1976-），男，廣西柳州人，本科，工程師，研究方向：汽車整車總裝工藝過程開發(fā)及項目管理。