高强度紧固接头拧紧工艺设计指导书

1、定义

用于连接、固定各功能件的零件称为紧固件。在使用中需对螺栓或者螺母施加一定扭矩、转过一定角度等手段，使螺纹紧固件保持紧固的工艺措施，称之为接头拧紧工艺。

2、拧紧工艺种类

常用的装配方法为扭矩控制法和扭矩-角度控制法。

扭矩控制法是根据扭矩大小和轴向力之间存在一定关系所制定的一种方法，该方法在拧紧时，只对紧固扭矩M进行控制。因具有拧紧工具简单，可操作性强等优点，是目前行业内最广泛使用的拧紧方法。但因扭矩受摩擦系数影响较大，拧紧后获得的预紧力有较大散差，通常可达到±30%。

扭矩-角度控制法（也称转角法）是将螺栓与螺母的相对回转角度作为指标进行初始预紧力控制的方法，可在弹性区和塑性区使用。相对扭矩法，转角法因通过转角直接控制螺栓伸长量，拧紧后能获得较小的预紧力散差，通常在±15%左右。

▲图1 拧紧扭矩曲线图

▲表1 拧紧工艺轴力散差对比

3、功能介绍

螺栓插入被连接件，利用螺母或内螺纹拧紧使螺栓拉伸变形，这种弹性变形产生了轴向的拉力，将被夹零件挤压在了一起，称为预紧力。理论上，只要产生了足够的夹紧力，完全可以保证被夹零件在震动、高低温等恶劣环境下安全工作，而不必使用涂胶等辅助方法。

1、法规要求

紧固件产品需强制符合《汽车零件和材料禁限用物质要求》的要求，本节参考该标准列出了紧固件零件在中国及欧盟等国家的主要法规要求，但对于项目不一定都要满足，需根据项目实际情况来确定。

2、企业要求

本节列出了紧固件子系统相关的企业标准（列举现有的项目经验中涉及的所有企业标准），但对于项目不一定都要满足，需根据项目实际情况来确定。

3、其他引用技术规范

除满足本指导书2.1和2.2条款外，紧固件接头设计过程中还应满足本指导书后续条款的推荐性要求。

4、性能要求

紧固接头需要满足的主要性能要求如下：

• 可靠性：紧固接头的路试耐久，防腐性能满足标准要求；
• 安全性：紧固接头能满足安全方面的法规要求

对于紧固件接头详细的性能要求，请参考总成件所在的子系统的技术和性能要求。

5、售后要求

S级紧固件，安装后需要更换全新紧固件；

• 预涂胶紧固件，在更换时需要仔细清理螺纹孔内残存的胶；
• 为保持锁紧效果，锁紧类紧固件，拆卸次数不能超过5次；
• 采用扭矩转角法安装工艺的点，更换时必须使用全新紧固件；
• 拧紧工艺必须按照工程设计要求进行装配。

本章节主要描述高强度紧固接头拧紧工艺的设计开发流程，以及计算方法。

1、设计开发流程

• 根据连接副的工作载荷确定紧固件的预紧力需求；
• 根据紧固件的预紧力需求选择合适的装配工艺，并根据下文介绍的计算方法完成理论计算；
• 高强度接头实验室完成紧固件台架试验拧紧工艺验证；
• 紧固件及紧固接头满足整车耐久试验，拧紧工艺确定；

2、设计原则

2.1 螺栓许用载荷计算

为最大程度利用螺栓强度，可根据式（1）计算螺栓许用载荷,螺栓许用载荷必须大于螺栓预加载荷(F_{M zul} ≥ F_{M max})。

如果不满足要求，要选择更大的螺栓公称直径。如果更大的公称直径不可能，则要采取其他措施，如选择更高的强度等级或其他装配方法、减少摩擦或外部加载、或其他设计变更。

2.2 螺栓柔度计算

螺栓可视为由多个不同长度和横截面积的圆柱体组成，计算中不仅应考虑其夹紧长度内的弹性变形，还应考虑该区域以外发生的任何弹性变形对螺栓的影响（见图2）

▲图2 用于螺栓刚度计算变形区域划分

2.3 被连接件的柔度计算

根据螺栓头部支承平面外径、分界面基体替代外径、变形椎体最大直径，被联接件可分为三类。其柔度计算公式见下表：

▲表2 被联接件分类及其刚度计算公式

上述计算要素可参考图3夹紧体和计算模型

▲图3 夹紧体和计算模型

2.4 扭矩计算

拧紧扭矩MA值可以按式（1）计算：

2.5 扭矩控制法计算

装配扭矩的计算方法，见下表3

▲表3 装配扭矩计算

▲表4 推荐扭矩公差

▲表5 六角法兰面螺栓标准扭矩及轴力推荐值

2.6 扭矩-转角法计算

▲表6 六角法兰面螺栓过屈服拧紧理论轴力值

实践表明，当螺栓拧紧到塑性范围时，扭矩-转角法能达到其最高精度，由于在塑性范围内变形特性近似水平线，因此角度误差几乎没有影响（见图1）。在此支承区域内摩擦系数对达到装配预加载荷没有影响。另一方面，在弹性范围内会发生角度误差。然而，在这种情况下，与扭矩法相比，摩擦系数对轴力影响仍较小。

2.7 拧紧工艺验证

在完成3.2.5、3.2.6理论计算后，将得到设计工艺下的理论预紧力值,为拧紧测试提供理论基础。

螺栓预紧力的通常有三种测量方法可采用：使用超声轴向预紧力仪测量、贴应变片测量、使用压力传感器，使用超声轴向预紧力仪是目前较为便捷的方法。

超声波测量预紧力的原理

当超声波通过金属传播时，其传播速度和金属的应力呈线性关系；当应力施加到金属上时，金属被拉长。这两种效应叠加，当应力施加到金属上时，超声波从金属杆的一端进入，在另一端反射并返回所消耗的时间增加。简而言之，超声波信号的传播时间和螺栓的预紧力呈正比。在预先对超声波传播时间的变量和螺栓的预紧力之间进行标定后，即可在装配条件下对同批次螺栓进行预紧力的测量。

试验准备和条件

1.测量仪器：超声波轴力预紧力测量仪（例如MC900）。

2.耗材：超声波感应贴片。

3.工具：数显扭矩扳手。

4.螺栓准备：1）螺栓的两个端面需要进行打磨，两个端面须垂直于螺栓的轴线。2）螺栓上刻编号标记。3）将超声感应贴片贴于螺栓头顶中心位置，静置2小时后方可使用。

试验方法

1.试验室条件下完成测量对象的标定文件，标定螺栓必须与试验用螺栓同一批次。

2.对测量对象进行初始长度清零，并保存文件。

3.装配过程中，使用贴有超声感应片的螺栓，按照设定拧紧方式装配；

4.对装配好的螺栓立即利用超声预紧力测量仪进行轴力的测量，并通过测量仪器测量设定拧紧方式下的预紧力。

本节列出了高强度紧固接头拧紧工艺相关的试验和认证，但对于项目不一定都要满足，需根据项目实际情况来确定。

1、整车级试验

紧固件及紧固接头需满足整车耐久试验。

2、系统级试验

高强度紧固接头可开展预紧力台架测试及拧紧工艺验证，该项试验由产品工程师和紧固件工程师进行规划，高强度紧固接头开发实验室负责实施。

1、最佳实践清单

高强度紧固接头拧紧工艺的设计最佳实践（BP）清单见下表：

2、参考资料

紧固件设计常用参考资料：

VDI2230-2015 《Systematic calculation of high duty bolted joints Joints with one cylindrical bolt》;

《Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints》 By John H.Bickford