汽車緊固扭矩的確定方法

李運發(fā)

（桂林客車發(fā)展有限責任公司，廣西桂林541002）

汽車緊固扭矩的確定方法

李運發(fā)

（桂林客車發(fā)展有限責任公司，廣西桂林541002）

對汽車空調(diào)壓縮機異響進行分析，以壓縮機連接螺栓緊固扭矩選擇過程為實例，詳細說明了應用扭矩法進行裝配時緊固扭矩的確定方法，在確定螺栓扭矩的時候，除了螺栓所受預緊力、螺栓機械性能、螺紋摩擦系數(shù)、螺紋直徑外，還應考慮連接件結構、材料強度影響。

連接件；壓縮機；緊固扭矩

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

1 扭矩的確定流程

扭矩法是利用扭矩與夾緊力的線性關系在彈性區(qū)進行緊固控制的一種方法，該方法只對一個確定的緊固扭矩進行控制，一般主機廠對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)強度理論和合適的安全系數(shù)，選擇螺栓的強度和尺寸[1]，合理選擇標準件規(guī)格，盡量選擇國標件，減少非標件的使用。大部分主機廠都是根據(jù)供應商的結構來選擇螺栓的規(guī)格。

1.2 預緊力計算、選擇

根據(jù)產(chǎn)品緊固場合、設計要求、工作載荷及聯(lián)接要求等綜合因素計算出理論預緊力值。簡單的螺栓連接可以通過分析連接部位的受力，通過經(jīng)驗公式計算螺栓承受的工作載荷或查詢相關標準推薦的預緊力。復雜的受力情況通過專業(yè)仿真軟件建模和動力學仿真，得到螺栓的最大工作載荷[2]。

1.3 空間校核

校核連接場合是否滿足標準件的裝配性[3]。

1.4 緊固扭矩計算、選擇

緊固扭矩與預緊力、緊固件規(guī)格、螺紋副連接的摩擦系數(shù)、潤滑情況、螺紋直徑大小和連接件本身的結構、強度相關[4]。對于一般汽車緊固連接扭矩，部分設計人員選用依據(jù)沿用汽車行業(yè)推薦性標準QC/ T518-2007《汽車用螺紋緊固件緊固扭矩》，這個標準已被QC/T518-2013標準取代，QC/T518-2007中列出相應規(guī)格及性能等級的螺栓緊固扭矩值，如表1. QC/T518-2013標準已刪除了這個參考扭矩值，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)下預緊力的最大值的推薦值，增加了最大緊固扭矩的計算，更多強調(diào)設計者應根據(jù)相應裝配條件和連接件本身的參數(shù)合理設計緊固扭矩值。

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)計算值進行圓整，確定初始螺栓扭矩值。

1.6 試驗驗證

設計人員制定試驗大綱，新車型一般需要進行3萬公里的可靠性試驗，每2 000公里對扭矩進行測量，不能出現(xiàn)松動、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置不當造成連接件功能障礙的案例，設計人員在試安裝新的供應商空調(diào)壓縮機時，動態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩安裝正常，但在測試空調(diào)時出現(xiàn)了壓縮機異響現(xiàn)象。為了查找原因，進行了一系列的分析、試驗。

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

表2 壓縮機結構參數(shù)

圖2 壓縮機拆解故障件圖

2.1 設計人員對螺栓緊固扭矩的確定過程

（1）緊固件螺栓選型

根據(jù)供應商安裝孔徑尺寸Ф11，確定M10螺栓、8.8級、鍍鋅。

（2）預緊力的計算

對連接部位進行受力分析，壓縮機安裝位置如圖3所示。

圖3 壓縮機安裝圖

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

（3）扭矩的設定值

依據(jù)QC/T518-2013公式最大扭矩Tfmax=KFfmaxd[5]，Tf為緊固扭矩，F(xiàn)fmax為預緊力，d為外螺紋大徑基本尺寸，K為扭矩系數(shù)，有關參數(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級擰緊精度，K1為0.666，Tfmin=0.666×78=52 N·m，最終確定設定值52 N·m，最小預緊力Ffmin=27 800×0.666=18514.8 N.

2.2 原因分析

2.2.1 強度分析

螺栓所承受的預緊應力σs=Ff/As，As為應力截面積，查詢GB/T3098.1 M10應力截面積為51.9 mm2，σs=18514.8/51.9=356.7 MPa，M10 8.8級屈服強度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]，螺栓所受最大預緊力不會出現(xiàn)屈服變形。

壓縮機所承受的預緊應力與螺栓所受應力相同，為356.7 MPa，根據(jù)供應商提供的檢測報告，壓縮機合金鋁的拉伸強度203.4 MPa，由于鋁合金強度低于預緊應力，壓縮機缸體存在被擠壓的風險。

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

表4 螺栓冷動、熱態(tài)扭矩檢測值

驗證不同扭矩值狀態(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，活塞轉動受阻，檢測配合間隙值＜0.03 mm.

表5 施加不同扭矩活塞配合狀態(tài)分析表

圖4 檢測活塞與氣缸配合狀態(tài)圖

驗證扭矩值用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)測試分析表

實施定扭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)壓縮機工作異響；實施定扭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。

兩個供應商壓縮機結構材料的對比如表7所列。

表7 兩個供應商零件結構材料比較

原供應商采用旋窩式結構，新開發(fā)的壓縮機為活塞式壓縮機，對于活塞式壓縮機，如果缸體的受壓變形或者活塞的過分膨脹都會導致活塞卡死在汽缸內(nèi)，造成工作異響。

新供應商的鑄鋁材料強度明顯低于原供應商，說明材料強度也是造成壓縮機重要影響因素。

2.2.2 分析結論

由于壓縮機結構和材料的影響，設計連接螺栓扭矩過大導致壓縮機缸體擠壓變形引起壓縮機缸孔與活塞配合狀態(tài)過緊，運轉不順暢或抱死，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 壓縮機連接緊固螺栓扭矩修正

經(jīng)過重新計算和查閱類似壓縮機相關經(jīng)驗值，設計人員將螺栓由M10（8.8級）更改為M8（10.9級），緊固扭矩由52 N·m更改為25 N·m，變更方案經(jīng)過5 000 km的可靠性試驗測試后，解體壓縮機內(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，扭矩無衰減，批產(chǎn)驗證無異常，重新釋放設計堅固扭矩值為M8（10.9級）25 N·m.

3 結束語

螺栓緊固扭矩值是汽車總裝配中關鍵的控制參數(shù)，設計人員更多考慮防松和螺栓斷裂，容易忽略連接件結構、材料因素的影響。本文就是以緊固扭矩設置過高造成空調(diào)壓縮機異響為典型例子，說明緊固扭矩除了滿足螺栓緊固件的屈服極限外，還要考慮連接件結構、材料強度影響，在產(chǎn)品驗證過程中，對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)控熱膨脹后的扭矩變化，以確保扭矩設置的可靠性。

[1]陳亭志，螺栓選型和裝配扭矩的計算方法研究[J].機械工師，2014（06）：77-79.

[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].武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2013（5）：639-642.

[3]陳平，黃波，新車開發(fā)過程中螺紋緊固件的緊固扭矩開發(fā)[J]農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2016（08）：77-79.

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

[5]QC/T518 2013，汽車用螺紋緊固件緊固扭矩[S].北京：中國標準出版社，2013.

[6]侯海靖，汽車生產(chǎn)線扭矩質量控制與應用研究[D].沈陽：東北大學，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：1

1672-545X（2017）05-0156-03

2017-02-06

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