李運(yùn)發(fā)

（桂林客車發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西桂林541002）

汽車緊固扭矩的確定方法

李運(yùn)發(fā)

（桂林客車發(fā)展有限責(zé)任公司，廣西桂林541002）

對(duì)汽車空調(diào)壓縮機(jī)異響進(jìn)行分析，以壓縮機(jī)連接螺栓緊固扭矩選擇過程為實(shí)例，詳細(xì)說明了應(yīng)用扭矩法進(jìn)行裝配時(shí)緊固扭矩的確定方法，在確定螺栓扭矩的時(shí)候，除了螺栓所受預(yù)緊力、螺栓機(jī)械性能、螺紋摩擦系數(shù)、螺紋直徑外，還應(yīng)考慮連接件結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度影響。

連接件；壓縮機(jī)；緊固扭矩

目前，在新開發(fā)供應(yīng)商的零部件時(shí)，設(shè)計(jì)人員更多考慮替換零部件位置空間和連接孔位是否正確，對(duì)緊固方案多參照過去車型或按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取螺栓尺寸和緊固扭矩值，設(shè)計(jì)人員最擔(dān)心的是扭不緊、滑牙和螺栓疲勞斷裂，往往忽略考慮扭矩大小對(duì)被連接件結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度因素可能造成對(duì)被連接件功能失效的影響。本文就是從空調(diào)壓縮機(jī)異響問題入手進(jìn)行分析，詳細(xì)說明了應(yīng)用扭矩法進(jìn)行裝配時(shí)，螺栓選型的確定流程和緊固扭矩的確定方法，為工程技術(shù)人員在處理類似扭矩問題的時(shí)候起到借鑒作用。

1 扭矩的確定流程

扭矩法是利用扭矩與夾緊力的線性關(guān)系在彈性區(qū)進(jìn)行緊固控制的一種方法，該方法只對(duì)一個(gè)確定的緊固扭矩進(jìn)行控制，一般主機(jī)廠對(duì)扭矩的確定流程如圖1所示，具體步驟如下。

圖1 扭矩的確定流程

1.1 緊固件規(guī)格選型

根據(jù)強(qiáng)度理論和合適的安全系數(shù)，選擇螺栓的強(qiáng)度和尺寸[1]，合理選擇標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格，盡量選擇國(guó)標(biāo)件，減少非標(biāo)件的使用。大部分主機(jī)廠都是根據(jù)供應(yīng)商的結(jié)構(gòu)來選擇螺栓的規(guī)格。

1.2 預(yù)緊力計(jì)算、選擇

根據(jù)產(chǎn)品緊固場(chǎng)合、設(shè)計(jì)要求、工作載荷及聯(lián)接要求等綜合因素計(jì)算出理論預(yù)緊力值。簡(jiǎn)單的螺栓連接可以通過分析連接部位的受力，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算螺栓承受的工作載荷或查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦的預(yù)緊力。復(fù)雜的受力情況通過專業(yè)仿真軟件建模和動(dòng)力學(xué)仿真，得到螺栓的最大工作載荷[2]。

1.3 空間校核

校核連接場(chǎng)合是否滿足標(biāo)準(zhǔn)件的裝配性[3]。

1.4 緊固扭矩計(jì)算、選擇

緊固扭矩與預(yù)緊力、緊固件規(guī)格、螺紋副連接的摩擦系數(shù)、潤(rùn)滑情況、螺紋直徑大小和連接件本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度相關(guān)[4]。對(duì)于一般汽車緊固連接扭矩，部分設(shè)計(jì)人員選用依據(jù)沿用汽車行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)QC/ T518-2007《汽車用螺紋緊固件緊固扭矩》，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已被QC/T518-2013標(biāo)準(zhǔn)取代，QC/T518-2007中列出相應(yīng)規(guī)格及性能等級(jí)的螺栓緊固扭矩值，如表1. QC/T518-2013標(biāo)準(zhǔn)已刪除了這個(gè)參考扭矩值，修改了扭矩系數(shù)K的規(guī)定，增加了不同螺紋摩擦系數(shù)下預(yù)緊力的最大值的推薦值，增加了最大緊固扭矩的計(jì)算，更多強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)相應(yīng)裝配條件和連接件本身的參數(shù)合理設(shè)計(jì)緊固扭矩值。

表1 常用未注螺栓、螺母緊固扭矩值（K1＝0.666）

1.5 初始緊固扭矩

根據(jù)計(jì)算值進(jìn)行圓整，確定初始螺栓扭矩值。

1.6 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)人員制定試驗(yàn)大綱，新車型一般需要進(jìn)行3萬公里的可靠性試驗(yàn)，每2 000公里對(duì)扭矩進(jìn)行測(cè)量，不能出現(xiàn)松動(dòng)、開裂、被連接件功能異常等問題。

2 案例分析

所述案例是一起典型的因緊固扭矩設(shè)置不當(dāng)造成連接件功能障礙的案例，設(shè)計(jì)人員在試安裝新的供應(yīng)商空調(diào)壓縮機(jī)時(shí)，動(dòng)態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩安裝正常，但在測(cè)試空調(diào)時(shí)出現(xiàn)了壓縮機(jī)異響現(xiàn)象。為了查找原因，進(jìn)行了一系列的分析、試驗(yàn)。

壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)如表2，該結(jié)構(gòu)為活塞式、殼體分段鑄造，而原供貨廠家的壓縮機(jī)為旋渦式、殼體整體鑄造。拆開故障零件發(fā)現(xiàn)吸盤、斜盤活塞磨損嚴(yán)重螺栓安裝面擠壓嚴(yán)重，缸體變形，離合吸盤、斜盤、活塞磨損，如圖2所示。

表2 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 壓縮機(jī)拆解故障件圖

2.1 設(shè)計(jì)人員對(duì)螺栓緊固扭矩的確定過程

（1）緊固件螺栓選型

根據(jù)供應(yīng)商安裝孔徑尺寸Ф11，確定M10螺栓、8.8級(jí)、鍍鋅。

（2）預(yù)緊力的計(jì)算

對(duì)連接部位進(jìn)行受力分析，壓縮機(jī)安裝位置如圖3所示。

圖3 壓縮機(jī)安裝圖

壓縮機(jī)由4顆螺栓固定連接支架上，壓縮機(jī)缸體只存在螺栓預(yù)緊力的作用，根據(jù)QC/T518-2013，取螺紋摩擦系數(shù)為0.15，最大預(yù)緊力Ffmax為27 800 N.

（3）扭矩的設(shè)定值

依據(jù)QC/T518-2013公式最大扭矩Tfmax=KFfmaxd[5]，Tf為緊固扭矩，F(xiàn)fmax為預(yù)緊力，d為外螺紋大徑基本尺寸，K為扭矩系數(shù)，有關(guān)參數(shù)取值如表3所列。

表3 螺栓基本參數(shù)表

Tfmax=KFfmaxd=0.235×27 800×0.012=78 N·m，最小扭矩Tfmin=K1×Tfmax，K1為扭矩比，按普通的Ⅲ級(jí)擰緊精度，K1為0.666，Tfmin=0.666×78=52 N·m，最終確定設(shè)定值52 N·m，最小預(yù)緊力Ffmin=27 800×0.666=18514.8 N.

2.2 原因分析

2.2.1 強(qiáng)度分析

螺栓所承受的預(yù)緊應(yīng)力σs=Ff/As，As為應(yīng)力截面積，查詢GB/T3098.1 M10應(yīng)力截面積為51.9 mm2，σs=18514.8/51.9=356.7 MPa，M10 8.8級(jí)屈服強(qiáng)度σ0.2=640 MPa，安全系數(shù)S=σ0.2/σs=1.79，一般安全系數(shù)≥1.3螺栓所受載荷都是安全的[6]，螺栓所受最大預(yù)緊力不會(huì)出現(xiàn)屈服變形。

壓縮機(jī)所承受的預(yù)緊應(yīng)力與螺栓所受應(yīng)力相同，為356.7 MPa，根據(jù)供應(yīng)商提供的檢測(cè)報(bào)告，壓縮機(jī)合金鋁的拉伸強(qiáng)度203.4 MPa，由于鋁合金強(qiáng)度低于預(yù)緊應(yīng)力，壓縮機(jī)缸體存在被擠壓的風(fēng)險(xiǎn)。

檢測(cè)壓縮機(jī)冷熱態(tài)扭矩變化。在經(jīng)過30 min的空調(diào)道路試驗(yàn)后扭矩檢測(cè)值如表4所列，扭矩不是衰減了，而是有明顯增加，說明壓縮機(jī)鋁機(jī)體受力過大后受熱膨脹影響較大。

表4 螺栓冷動(dòng)、熱態(tài)扭矩檢測(cè)值

驗(yàn)證不同扭矩值狀態(tài)下活塞與氣缸的配合情況，如表5，檢測(cè)方法如圖4所示，說明在受到60 N·m緊固扭矩后缸體已受壓變形，活塞轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，檢測(cè)配合間隙值＜0.03 mm.

表5 施加不同扭矩活塞配合狀態(tài)分析表

圖4 檢測(cè)活塞與氣缸配合狀態(tài)圖

驗(yàn)證扭矩值用M10螺栓定扭38 N.m和25 N.m的情況如表6所列。

表6 施加不同扭矩值空調(diào)測(cè)試分析表

實(shí)施定扭38 N·m，在開空調(diào)的狀態(tài)下，扭矩增加到60 N·m以上，缸體受壓變形造成空調(diào)壓縮機(jī)工作異響；實(shí)施定扭25 N·m，靜態(tài)扭矩和開空調(diào)熱試的狀態(tài)下，扭矩值無變化，說明缸體受力較小。

兩個(gè)供應(yīng)商壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)材料的對(duì)比如表7所列。

表7 兩個(gè)供應(yīng)商零件結(jié)構(gòu)材料比較

原供應(yīng)商采用旋窩式結(jié)構(gòu)，新開發(fā)的壓縮機(jī)為活塞式壓縮機(jī)，對(duì)于活塞式壓縮機(jī)，如果缸體的受壓變形或者活塞的過分膨脹都會(huì)導(dǎo)致活塞卡死在汽缸內(nèi)，造成工作異響。

新供應(yīng)商的鑄鋁材料強(qiáng)度明顯低于原供應(yīng)商，說明材料強(qiáng)度也是造成壓縮機(jī)重要影響因素。

2.2.2 分析結(jié)論

由于壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和材料的影響，設(shè)計(jì)連接螺栓扭矩過大導(dǎo)致壓縮機(jī)缸體擠壓變形引起壓縮機(jī)缸孔與活塞配合狀態(tài)過緊，運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢或抱死，離合器產(chǎn)生高溫引起吸盤退火，吸盤與皮帶輪貼合摩擦而產(chǎn)生異響。

2.3 壓縮機(jī)連接緊固螺栓扭矩修正

經(jīng)過重新計(jì)算和查閱類似壓縮機(jī)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)計(jì)人員將螺栓由M10（8.8級(jí)）更改為M8（10.9級(jí)），緊固扭矩由52 N·m更改為25 N·m，變更方案經(jīng)過5 000 km的可靠性試驗(yàn)測(cè)試后，解體壓縮機(jī)內(nèi)部活塞、缸體、斜盤、鋼片等無任何摩損現(xiàn)象，空調(diào)工作正常，螺栓連接正常，扭矩?zé)o衰減，批產(chǎn)驗(yàn)證無異常，重新釋放設(shè)計(jì)堅(jiān)固扭矩值為M8（10.9級(jí)）25 N·m.

3 結(jié)束語

螺栓緊固扭矩值是汽車總裝配中關(guān)鍵的控制參數(shù)，設(shè)計(jì)人員更多考慮防松和螺栓斷裂，容易忽略連接件結(jié)構(gòu)、材料因素的影響。本文就是以緊固扭矩設(shè)置過高造成空調(diào)壓縮機(jī)異響為典型例子，說明緊固扭矩除了滿足螺栓緊固件的屈服極限外，還要考慮連接件結(jié)構(gòu)、材料強(qiáng)度影響，在產(chǎn)品驗(yàn)證過程中，對(duì)于受熱膨脹影響較大的零部件的聯(lián)接，除了控制靜態(tài)扭矩外，還要監(jiān)控?zé)崤蛎浐蟮呐ぞ刈兓?，以確保扭矩設(shè)置的可靠性。

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[2]吳慧，莫易敏，陳亭聲，等.基于ADAMyCar的某微型車前懸架優(yōu)化分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2013（5）：639-642.

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[4]韋耀華，黃荷，摩擦系數(shù)對(duì)螺栓裝配質(zhì)量的影響分析[J].科技論壇，2014（15）：251-252.

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[6]侯海靖，汽車生產(chǎn)線扭矩質(zhì)量控制與應(yīng)用研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

The Methods for Tightening Torque of Automotive

LI Yun-fa
（Guilin Bus Development Co.，Ltd.，Guilin Guangxi 541002，China）

By analyzing the automobile air conditioning compressor noise，taking the compressor bolt tightening torque selection process as an example，showed the definition of tightening torque by the method of torque to assemble in detail.In determining the bolt torque.When determining the bolt torque，the effect of connected structure and strength of materialsshould be consideredin addition to the bolt preload，bolt mechanical properties，friction coefficient，and screw thread diameter.

connector；compressor；tightening torque

U469.11

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0156-03

2017-02-06

李運(yùn)發(fā)（1964-），男，廣西臨桂人，本科，工程師，主要研究方向：整車裝配質(zhì)量控制。