拉帶連接螺栓的緊固力矩設定值研究

申成振，張金全，李強強，呂若塵，王丹丹

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拉帶連接螺栓的緊固力矩設定值研究

申成振，張金全，李強強，呂若塵，王丹丹

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710021）

連接有拉帶的彈性體螺栓，缺少成熟的緊固力矩計算公式和研究方法。文章采用扭矩控制法，通過連接尿素箱總成的拉帶螺栓緊固力矩試驗研究，并結合緊固力矩估算分析方法，來預估拉帶螺栓的緊固力矩設定值。

拉帶螺栓；緊固力矩；螺紋副連接

1 概述

螺紋副扭矩的控制，直接關聯整車的質量和運行可靠性。影響緊固力矩的因素很多：螺紋件的材料、直徑，螺紋表面粗糙度，螺栓（母）和連接接觸面的摩擦系數，擰緊工具的精度、轉速，擰緊工藝順序等等[1]。

而某公司開發的尿素箱總成采用兩條拉帶螺栓緊固，拉帶螺栓結構為兩頭為T形螺栓中間采用拉帶（帶材）焊接形成；通過積累的緊固應用經驗和工藝試驗發現：這種拉帶螺栓的緊固力矩，不能采用行業中一般形式的螺紋副連接的緊固力矩計算來估算力矩的設定值（設計目標值），行業中也缺少經驗公式的估算方法，此外工藝試驗和緊固時所表現出的擰緊特性，與常規螺紋副連接還略有不同。

我們參考歐系汽車廠采用扳手測螺栓發生屈服時來估算緊固力矩的經驗[2]，以尿素箱總成零件達到屈服為參考目標，進行緊固力矩的工藝試驗，找出設計目標值的可選范圍。同時結合對拉帶螺栓緊固力矩算、尿素罐體受力分析、緊固工具一般精度，來確定一個緊固力矩設定值。

2 緊固力矩工藝試驗

2.1 產品結構

尿素箱總成產品結構如圖1所示：它由拉帶螺栓（2條）和螺母（規格M10粗牙/4個），通過緊固裝配L形支架、尿素罐、計量泵支架、橡膠條（2條）等裝配而成；其中橡膠條墊于尿素罐和拉帶螺栓之間，L形支架和計量泵支架為金屬的沖壓件，尿素罐材料為高密度聚乙烯吹塑而成；拉帶螺栓結構如圖2所示，其材料為不銹鋼，材料寬度25mm,厚1mm，螺紋規格M10粗牙。

2.2 緊固力矩工藝試驗

隨機抽樣尿素箱總成的樣件，樣件的拉帶螺栓在底部安裝螺栓進行緊固，另一端松帶。其中7個樣件（編號Samp1 -Samp7），使用定扭力扳手（量程2Nm-10Nm/精度±3%）,分別按2Nm、3Nm、4Nm、5Nm、6Nm等依次增加扭矩，對樣件采用扭矩控制法進行緊固, 依次按同一扭矩值下兩條拉帶螺栓先左后右的緊固方式擰緊，直至樣件產生形變。

圖1 尿素罐總成結構

圖2 拉帶螺栓結構

試驗表明：扭矩增加到（5-6）Nm時，樣件的計量泵支架基本都發生了形變（表1所示）；6Nm時樣件的尿素罐基本都發生形變（表2所示），重新松開緊固帶零件變形基本恢復；增加到8Nm左右時，計量泵支架和尿素罐形變嚴重，超出設計期望要求；每個樣件總是計量泵支架先變形，隨后尿素罐變形。

表1 樣件在2Nm-6Nm下計量泵支架形變的統計結果

表2 樣件在2Nm-6Nm下尿素罐形變的統計結果

2.3 工藝試驗數據結論

根據產品和工藝驗證2Nm的緊固扭矩，難以保障產品可靠性要求。因此從試驗數據中看緊固力矩設定值在（3-6）Nm比較合適。

3 拉帶螺栓緊固力矩的估算

3.1 拉帶螺栓的計算建模

GB/T26547《螺紋緊固件用回轉式工具性能試驗方法》將螺紋副連接件的狀態，根據對扭矩的影響分為3類：軟連接、硬連接及中性連接(過渡連接)。而拉帶螺栓與以往常規螺紋副連接的緊固件形式均不同，它的動靜扭矩對比的特性有點類似于軟連接，但拉帶螺栓的螺栓、螺母連接處卻是類似于硬連接的。目前沒有相對完善的緊固力矩計算公式和研究方法，我們可以參照常規的螺紋緊固件連接受力計算方法進行估算，簡化為圖3的受力模型，估算的目的是對工藝試驗的數據和有效性進行分析，并積累此種連接的經驗和修正計算公式。

拉帶螺栓的結構（圖2所示），其計算模型簡化為圖4結構。簡化后材料選用為拉帶的材料（不銹鋼），光桿部分的面積A=拉帶截面面積=25×10-6m2（直徑5.64mm）,螺紋部分仍按M10，性能等級按8.8級。

圖3 螺紋緊固件連接受力示意圖

圖4 拉帶螺栓簡化模型示意

3.2 拉帶螺栓的緊固力矩計算

根據QC/T518-2013的緊固力矩Tf與預緊力的關系式（1）：

扭矩系數K值及最小扭矩系數Kmin的基本公式見式（2）和式（3）[4]：

接觸的支撐面為圓環狀時（支架的通孔直徑dh=11mm，螺母支撐面直徑dW=16mm）：

最大扭矩T,max

最大預緊力F,max按材料的第四強度理論進行估算[3]

（6）

表3 符號定義及取值

符號定義及取值如下表3所示。

3.3 緊固力矩的計算結果

計算得：拉帶螺栓的最大扭矩T,max≤13.9Nm。理論上拉帶螺栓設定值小于13.9Nm均是合理的。

4 尿素罐體變形分析

從拉帶螺栓緊固力矩的估算和工藝試驗來看，尿素罐體承受不了拉帶屈服變形所達到的螺栓緊固力矩。根據此類產品批量應用經驗，拉帶螺栓緊固力矩大于2Nm可滿足緊固基本要求，擰緊力矩過高（拉帶屈服變形）往往也易引起尿素罐漲箱故障；因此對尿素罐受力（緊固力矩）變形的能力進行CAE分析（如圖5和圖6所示）。

圖5 尿素罐額定容量液體下力的加載

圖6 尿素罐側面受力變形的CAE分析

并以尿素罐受力可接受的變形量，做為衡量拉帶螺栓緊固力矩的設定值是否合適的依據。尿素罐在額定容量液體下加載8Nm時，尿素罐兩側變形量分別為7.97mm和7.99mm，臨近設計需求危險點。拉帶螺栓的設定值推薦在2Nm-8Nm之間選擇。

5 結論和工作展望

5.1 拉帶螺栓緊固力矩的設定值

結合尿素箱總成的零部件螺栓緊固力矩估算和工藝試驗，以及參照尿素罐受力變形的CAE分析，拉帶螺栓緊固力矩的設定值應主要參照工藝試驗的結果制定。

從工藝試驗結果看：3Nm-6Nm是相對合理的緊固力矩設定值。但考慮到拉帶螺栓緊固時，往往會超出緊固精度的標準要求（大于緊固離散度20%），具體實施時需要設定值的公差范圍增大。因此需要提升尿素罐和計量泵支架強度，使拉帶螺栓的緊固力矩達到3Nm-7Nm需求。

綜合分析：該產品緊固力矩設定值按5Nm±2Nm控制是合理的。

5.2 拉帶螺栓緊固力矩設定值的研究方法探索

拉帶螺栓緊固力矩的設定值目前缺少相關公式計算和完善的研究方法，參考歐系汽車廠采用扳手測螺栓發生屈服時來估算緊固力矩的經驗，不失是一個非常有效的方式。同時參照通過緊固力矩簡化模型的計算以及零部件CAE分析，可以為過程能力試驗分析提供輸入依據。

5.3 下一步工作

緊固力矩設定值并非一定是設計要求，因為沒有落實保障緊固力矩的工序過程能力分析。試生產的產品暫按扭矩5Nm±2Nm控制，并計劃進行工序的過程能力分析，根據數理統計結果分析此設定值是否合理或需要調整，(如提高尿素罐剛度來調整設定值，進行工藝改進等措施)。

[1]覃祖賓.汽車裝配緊固件靜態扭矩應用[J].裝備制造技術,2016,（3）: 152-157.

[2] 林浩.如何合理選擇螺栓的裝配扭矩[J].汽車與配件,2012,46(6): 1124-1136.

[3]楊澤迎,金偉,趙旭東,等.基于扭矩控制法的螺栓連接可靠性探索[J].裝備機械,2016,2:26-29.

[4] QC/T518-2013,汽車用螺紋緊固件緊固扭矩[S].北京:中國計劃出版社,2013.

Study on the setting value of tightening moment of tie-up bolt

Shen Chenzhen, Zhang Jinquan, Li Qiangqiang, Lv Ruochen, Wang Dandan

( Shaanxi heavy vehicle co. LTD, Shaanxi Xi'an 710021)

Elastomeric bolts with tension bands are connected without a mature formula for calculating the tightening torque and a research method. In this paper,through the test of tightening torque by the pull bang bolt connecting urea box assembly,reach the set value of tightening torque for estimated tensile bolt.In this process,the torque control method is adopted and the tightening g torque estimation and analysis method is combined.

Pull bang bolt; Tightening torque; Threaded connection

U466

A

1671-7988(2018)24-88-03

U466

A

1671-7988(2018)24-88-03

申成振，就職于陜西重型汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.030