螺栓連接靜態(tài)力矩控制范圍的確定方法

楊萬慶　呂奉陽　全鋒　譚哲

摘 要：靜態(tài)力矩是控制螺栓擰緊質(zhì)量的有效方法，通過經(jīng)驗公式或統(tǒng)計分析可以把不便測量的動態(tài)力矩轉(zhuǎn)化為可測量可復(fù)驗的靜態(tài)力矩。在介紹螺栓連接分類和動、靜態(tài)力矩定義的基礎(chǔ)上，給出了確定螺栓連接靜態(tài)力矩控制范圍的兩種方法：經(jīng)驗公式法和統(tǒng)計分析法。經(jīng)驗公式法考慮了連接性質(zhì)、測量偏差和測量誤差的影響，用于初步確定靜態(tài)力矩。統(tǒng)計分析法基于測量數(shù)據(jù)和SPC確定靜態(tài)力矩，更加符合實際情況。

關(guān)鍵詞：螺栓連接 動態(tài)力矩 靜態(tài)力矩

1 引言

扭矩法是螺栓連接應(yīng)用最廣的擰緊方法。靜態(tài)力矩是檢查螺栓擰緊質(zhì)量的主要手段。由于不同連接材料的力矩衰減規(guī)律不同，靜態(tài)力矩與動態(tài)力矩存在偏差，簡單按動態(tài)力矩控制范圍進(jìn)行靜態(tài)力矩管理，可能會導(dǎo)致檢測合格率偏低或引起生產(chǎn)管理成本增加。放寬靜態(tài)力矩要求，將導(dǎo)致生產(chǎn)一致性差，螺栓連接可靠性降低。為了控制螺栓擰緊質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性，需要對靜態(tài)力矩控制范圍進(jìn)行研究。

2 螺栓連接分類

靜態(tài)力矩與被連接件的材料密切相關(guān)，被連接件的剛度、硬度、表面狀態(tài)會影響靜態(tài)力矩測量結(jié)果。根據(jù)連接性質(zhì)螺栓連接可以分為三類：硬連接、軟連接和中性連接[1]。

硬連接是指被連接件硬度大、剛性大、表面光滑且貼合度高。擰緊時，螺紋副達(dá)到貼合點(diǎn)后旋轉(zhuǎn)30°以下就能達(dá)到目標(biāo)力矩。擰緊后，有可能出現(xiàn)過擰緊現(xiàn)象。

軟連接是指被連接件自身材質(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(dá)到貼合點(diǎn)后需要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)720°以上才能達(dá)到目標(biāo)力矩。擰緊后存在力矩衰減。

中性連接是指介于軟連接和硬連接之間的連接。中性連接擰緊后一般不會出現(xiàn)力矩衰減或過擰緊現(xiàn)象。

3 動態(tài)力矩和靜態(tài)力矩

動態(tài)力矩是緊固件在被緊固過程中測量得到的最大峰值。扳手和動力工具都可以施加動態(tài)力矩，動態(tài)力矩是在緊固的過程中測量的。動態(tài)力矩所產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力滿足設(shè)計上對預(yù)緊力的要求。設(shè)計部門給出的設(shè)計力矩、產(chǎn)品圖紙標(biāo)注的圖紙力矩、指導(dǎo)擰緊工具設(shè)定的工藝力矩，都屬于動態(tài)力矩。

靜態(tài)力矩是在緊固件被緊固好之后，將其在擰緊方向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的瞬間所需要的力矩。靜態(tài)力矩是在緊固之后測量的，用來監(jiān)控生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。靜態(tài)力矩也稱為檢查力矩、再擰緊力矩、增固力矩等。

根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律和汽車行業(yè)經(jīng)驗，靜態(tài)力矩和動態(tài)力矩的關(guān)系如下：對于硬連接，靜態(tài)力矩大于動態(tài)力矩;對于軟連接，靜態(tài)力矩小于動態(tài)力矩;對于中性連接，靜態(tài)力矩接近于動態(tài)力矩[2]。

4 靜態(tài)力矩控制范圍的確定方法

4.1 經(jīng)驗公式法

4.1.1 靜態(tài)力矩的影響因素

采用經(jīng)驗公式計算靜態(tài)力矩的影響因素主要有：連接性質(zhì)、測量偏差和測量誤差。連接性質(zhì)分為硬連接、中性連接和軟連接，與被連接件材料有關(guān);測量偏差是指按擰緊法測量，靜態(tài)力矩名義值與動態(tài)力矩名義值的偏差;測量誤差是指測量工具和人員操作引起的靜態(tài)力矩測量誤差。

連接性質(zhì)與測量偏差和測量誤差的關(guān)系如表1所示[3]。

4.1.2 計算靜態(tài)力矩名義值

靜態(tài)力矩名義值可以根據(jù)動態(tài)力矩與連接性質(zhì)確定，經(jīng)驗公式如下：

? ?式（1）

式中，CL—靜態(tài)力矩名義值;T—動態(tài)力矩名義值;d—測量偏差，與連接性質(zhì)有關(guān)，硬連接取0.15，中性連接取0.10，軟連接取0.05。

4.1.3 計算靜態(tài)力矩控制范圍

動態(tài)力矩和靜態(tài)力矩的公差值及測量值的關(guān)系如圖1所示，a為動態(tài)力矩的設(shè)計公差;b為靜態(tài)力矩的測量公差;c為測量誤差值，其大小為動態(tài)力矩名義值乘以測量誤差。可以近似得出，a、b、c之間滿足：

? 式（2）

靜態(tài)力矩測量公差：

? 式（3）

式中，a—動態(tài)力矩設(shè)計公差;b—靜態(tài)力矩測量公差;T—動態(tài)力矩名義值;e—測量誤差，與連接性質(zhì)有關(guān)，硬連接取0.20，中性連接取0.25，軟連接取0.40。

靜態(tài)力矩規(guī)格上限：

式（4）

靜態(tài)力矩規(guī)格下限：

式（5）

為了提高生產(chǎn)一致性和螺栓連接可靠性，一般按規(guī)格力矩控制范圍的75%設(shè)定控制限，也稱為管理力矩，靜態(tài)力矩管理上限為：

式（6）

靜態(tài)力矩管理下限為：

式（7）

4.1.4 靜態(tài)力矩控制圖

根據(jù)靜態(tài)力矩規(guī)格限和控制限，可以繪制靜態(tài)力矩控制圖，如圖2所示。靜態(tài)力矩測量值如果在控制限范圍內(nèi)，說明生產(chǎn)過程穩(wěn)定無異常。如果超出控制限，需要進(jìn)行觀察分析。如果超出規(guī)格限，則必須采取行動措施進(jìn)行改善。

4.2 統(tǒng)計分析法

4.2.1 數(shù)據(jù)收集

在靜態(tài)力矩數(shù)據(jù)收集前，需要對測量工具進(jìn)行驗證，通常先記錄5次動態(tài)力矩數(shù)據(jù)與名義值進(jìn)行比較，滿足差值在5%以內(nèi)才能開展靜態(tài)力矩測量，數(shù)據(jù)收集完成后再次對測量工具進(jìn)行驗證，前后驗證通過才能判斷數(shù)據(jù)收集有效[4]。

一般收集30個數(shù)據(jù)，采樣頻率為每班次收集3個樣本，連續(xù)收集10個班次，即子組容量為3，子組數(shù)量為10。

某車型前減震器安裝螺栓動態(tài)力矩為70±7Nm，靜態(tài)力矩收集數(shù)據(jù)如表2所示。

4.2.2 數(shù)據(jù)分析和處理

計算每一個子組的均值與極差R：

? ? ?式（8）

式（9）

式中，—子組內(nèi)的第i個測量值;—子組內(nèi)的最大測量值;—子組內(nèi)的最小測量值;—子組的樣本容量。

計算過程均值與平均極差：

式（10）

式（11）

式中，—第i個子組的均值;—第i個子組的極差;—子組的數(shù)量。

計算均值和極差控制限：

式（12）

式（13）

式（14）

式（15）

式中，、、為計算常數(shù)，可通過SPC手冊查表確定，如表3所示。

計算靜態(tài)力矩的規(guī)格限：

式（16）

式（17）

式（18）

式中，—數(shù)據(jù)樣本的標(biāo)準(zhǔn)差;—過程能力指數(shù)，受控條件下，1.33;—計算常數(shù)，可通過SPC手冊查表確定。

4.2.3 繪制均值和極差控制圖

根據(jù)表2、表3和公式8-11，可以確定前減震器安裝螺栓靜態(tài)力矩均值為73.9，極差均值為4.1，=1.023、=0、=2.574。

均值控制限為：

=78.1

=69.7

極差控制限為：

=10.6

=0

根據(jù)表2數(shù)據(jù)和均值、極差控制限計算結(jié)果，繪制均值控制圖和極差控制圖如圖3、圖4所示。

4.2.4 分析結(jié)果評價

靜態(tài)力矩規(guī)格范圍需滿足兩個條件才能釋放：1）靜態(tài)力矩公差與靜態(tài)力矩名義值的比值小于35%;2）動、靜態(tài)力矩名義值的差值與動態(tài)力矩名義值的比值小于15%。如不滿足要求，應(yīng)優(yōu)化擰緊工藝或重新設(shè)定動態(tài)力矩。

根據(jù)公式16-18，計算前減震器安裝螺栓的靜態(tài)力矩規(guī)格上限為：USL=84;規(guī)格下限為：LSL=64;規(guī)格力矩范圍為：74±10。條件1）校核：10/74=14%<35%，合格;條件2）校核：（74-70）/70=6%<15%，合格。故靜態(tài)力矩規(guī)格范圍符合釋放要求。

5 結(jié)語

本文給出了確定螺栓連接靜態(tài)力矩控制范圍的兩種方法：經(jīng)驗公式法和統(tǒng)計分析法。試生產(chǎn)階段，沒有測量數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)樣本較少時，可以采用經(jīng)驗公式法初步確定靜態(tài)力矩，經(jīng)驗公式法考慮了連接性質(zhì)、測量偏差和測量誤差，計算方便，能夠給出靜態(tài)力矩范圍。批量生產(chǎn)階段，有一定測量數(shù)據(jù)后，推薦采用統(tǒng)計分析法，更加符合實際情況。

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