汽車總裝環節螺栓擰緊控制工藝優化

分類號：U464.13 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0130-03

【Abstract】From the perspective of bolt tightening processin the automotive final asembly process，this article elaborates onthe basic principles ofbolt tightening，and providesadetailed introduction to mainstream control methods such as torque controlmethod，torque anglecontrolmethod，and yieldpoint method.Finally，research is carriedouton controloptimization issues，covering torque control，torque factor，frictionfactor，and stick-slipfactor.Effectivebolt tightening control strategies are proposed to provide technical references for optimizing automotive production processes.

【Key words 】 automotive final assembly；bolt tightening;process control

0 引言

在汽車制造中的總裝環節，主要是將各零部件整合為完整車輛，而螺栓連接則是應用最廣泛的連接方式，其品質往往會直接影響車輛整體性能。據統計，轎車平均使用緊固件約4000個/輛，重型車則多達7100個/輛，其中，高強度緊固件占比約1/3，可見緊固件品質及連接可靠性對于車輛的安全至關重要。

在國外，德國博世、美國伊利諾斯工具公司等企業，已較早開展螺栓擰緊控制技術研究，側重自動化擰緊設備的開發。國內部分企業多聚焦于摩擦系數等單一因素對擰緊品質的影響，研究者分析了摩擦系數與預緊力的關系，但缺乏多因素協同優化的系統研究。因此，本研究將綜合扭矩因數、摩擦因素、粘滑效應等多維度參數，系統分析螺栓擰緊原理及控制方法，深入探討和構建全流程優化策略，以更好地驗證其有效性。

1汽車總裝環節螺栓擰緊原理

螺栓擰緊的核心目的是通過施加擰緊力矩使螺栓產生軸向預緊力，從而將被連接件緊密結合，確保連接的可靠性。一般而言，螺栓擰緊通常會采用兩步擰緊或四步擰緊的方法[2。其中，兩步擰緊包括初擰和終擰兩個階段，如初擰旨在使連接件與螺栓之間實現良好接觸，確保螺栓在后續擰緊過程中受力均勻，從而避免松動或位置偏移；終擰則是將螺栓擰緊至規定的扭矩值，以保證連接的牢固性與可靠性，且在終擰過程中必須精確控制施加的扭矩，防正因過緊或過松而影響連接品質。

事實上，不管是兩步擰緊還是四步擰緊方法，螺栓的擰緊過程一般都會經歷4個不同的階段： ① 認帽階段，螺栓與螺母或螺紋孔開始嚙合，初步產生扭矩，過程中需要反復調整，以避免歪斜或卡扣；② 快速旋入階段，螺栓在此階段快速旋進，直至與連接件表面接觸并貼合； ③ 線性擰緊階段，隨著螺栓擰緊逐步產生線性拉伸變形，并形成軸向預緊力；④ 屈服擰緊階段，螺栓材料進入塑性變形區域，發生屈服，軸向預緊力也趨于穩定。

在整個螺栓擰緊過程中，必須確保操作的準確性，防止出現螺栓歪斜、螺紋錯牙等問題，從而避免對工件表面或螺紋結構造成損傷。同時，應根據具體的使用環境和工藝要求，合理選擇擰緊方法及相應的控制策略，以保障螺栓連接的品質與可靠性。

2汽車總裝環節螺栓擰緊的主要控制方法

基于上述螺栓擰緊的基本原理，以及當前在汽車總裝環節所應用的螺栓擰緊方法，如扭矩控制法、扭矩轉角控制法、屈服點法等，通過介紹不同方法的應用及控制，以明確不同方法的特點及適用場景，從而為汽車總裝提供參考。

2.1 扭矩控制法

扭矩控制法是通過控制螺栓的最終擰緊扭矩，以獲得所需軸向預緊力的一種方法，也是目前汽車總裝中應用最廣泛的擰緊控制方法之一[3]。其原理為：當擰緊扭矩達到預設的目標扭矩值時，擰緊工具停止工作。其中，軸向預緊力與擰緊扭矩呈線性關系，表達式為：

T=KdF

式中：T- 一擰緊扭矩， N?m . K T -扭矩因數；d. 一螺紋公稱直徑， mm ; F. —軸向預緊力， N 。

該方法的優點是操作簡單、易于實現，適用于對預緊力精度要求不高的場合。但軸向預緊力受摩擦因數影響較大，當摩擦系數波動時，預緊力離散度較大，如摩擦系數在 0.1～0.16 之間變化時，同一種工具采用同一種扭矩控制法所產生的軸向預緊力，在上限與下限之間相差 50% 以上。擰緊過程中，受摩擦因素影響，僅有約 10% 的扭矩能轉化為軸向預緊力。

2.2 扭矩轉角控制法

扭矩轉角控制法是先將螺栓擰緊至設定的初始扭矩，使螺栓與被連接件充分貼合，隨后繼續旋轉螺栓至預設的角度，以此來控制軸向預緊力的方法。該方法分為彈性區和塑性區兩類控制方式，其中，在彈性區，軸向預緊力與旋轉角度成正比；在塑性區，螺栓超過屈服點后，通過控制轉角來確保預緊力的穩定性。其表達式為：

F=C_sPθ/360

式中： F. —軸向預緊力， N . C_s —螺栓連接剛度系數， N/mm . P. 螺距， mm ： θ? —旋轉角度，（°）。

與扭矩控制法相比，扭矩轉角控制法不受摩擦因數變化影響，預緊力精度更高、離散度小，能更充分地利用螺栓材料性能。目前，該方法適用于發動機缸蓋、底盤懸架等關鍵部位，螺栓擰緊品質也可得到顯著提高。

2.3 屈服點法

屈服點法也被稱為斜率法，其控制機制是基于螺栓材料的屈服特性。在螺栓擰緊的初始階段，處于彈性區域內，扭矩相對于轉角的曲線斜率保持恒定；隨著擰緊過程推進，當螺栓接近屈服點時，曲線斜率開始發生變化。隨著螺栓進一步進人塑性變形區，扭矩與轉角之間的線性關系不再成立，此時曲線的斜率逐漸減小。當該斜率降低到最大斜率的33%～50% 時，即可判斷螺栓已達到其屈服點。

2.4 控制方法比較

為更清晰地展現3種控制方法的差異，可從預緊力精度、效率、適用場景等方面進行對比，如表1所示。

表1不同控制方法參數比較

3汽車總裝環節螺栓擰緊控制優化

通過對上述3種控制方法的分析，明確了不同方法在實際應用中存在的局限性，因此需要從多維度對螺栓擰緊控制工藝進行優化。

3.1 扭矩控制工藝

扭矩控制工藝優化環節，應通過合理設置擰緊參數，改進擰緊策略，減少預緊力的離散度，提高擰緊品質。在控制優化中，需先以較高速度將螺栓擰緊至目標扭矩的 60%～80% ，再以較低速度擰緊至最終目標扭矩，可有效減少扭矩衰減，提高預緊力穩定性。

對于存在軟連接的情況，如連接件為橡膠、塑料等材料，可采用分步擰緊的操作方式，以充分釋放出連接件中的應力，降低扭矩衰減對預緊力的影響。例如，在穩定桿（含有橡膠襯套）連接至副車架連接螺栓的擰緊中，將原有的單步擰緊改為分步擰緊，不同擰緊步驟采用不同的轉速，預擰緊第一階段 20N?m 、預擰緊第二階段 40N?m 和終擰緊 60N?m 等步驟，使預緊力離散度有效降低，如表2所示。

表2穩定桿至副車架連接螺栓擰緊工藝參數

注：數據來源于肇慶小鵬新能源某SUV車型穩定桿與副車架連接螺栓的擰緊工藝試驗，試驗樣本數量為50組，通過實時采集數據，經3次重復驗證后確定。

此外，在螺栓擰緊的動態監控中，應當識別擰緊過程中的異常情況，如設定初始監控角度和該角度范圍內的扭矩上限值，當擰緊曲線在監控窗口內超出扭矩上限時，工具自動報警，避免螺栓和螺紋孔損壞。在擰緊順序的優化方面，主要是對多個螺栓的連接部位，采用對角、分步擰緊的順序，避免被連接件受力不均產生變形，影響預緊力分布。例如，副車架與車身的連接螺栓，可以采用對角預緊和整體終緊的順序，使各螺栓預緊力偏差控制在 ±5% 以內。

3.2 扭矩因數分析

扭矩因數 K 是影響擰緊力矩與軸向預緊力關系的關鍵參數，其表達式為：

式中： d. —螺紋公稱直徑， mm . 螺距， mm ： μ_s ——螺紋摩擦系數； d₂ —螺紋中徑，mm ; α^′ —螺紋牙側角； μ_w ——支承面摩擦系數；D_w —支承面等效直徑， mm 。

扭矩因數的大小受多種因素影響，包括螺紋精度、表面處理、潤滑狀態等，因此優化扭矩因數的關鍵是減小其波動范圍，從而降低預緊力的離散度。

1）標準化表面處理工藝。采用磷化、達克羅等表面處理方式，穩定螺紋和支承面的摩擦系數。

2）根據連接部位的工況，設計選型時，選擇含墊圈的螺栓。螺栓擰緊時，法蘭與自帶的墊圈之間進行直接摩擦，摩擦系數更加穩定。避免因為螺栓法蘭（無墊圈的螺栓）在擰緊時，受被夾緊件的表面平整度、粗糙度及材質的影響，導致總摩擦系數的波動增大，造成預緊力離散度增大。

3）提高螺紋中徑、牙型角等加工精度，減少螺 紋副的配合間隙偏差，從而穩定扭矩因數。

3.3摩擦因素分析

摩擦系數是影響螺栓擰緊品質的核心因素，其對預緊力的大小、散布誤差及連接可靠性均有顯著影響[4。比如，在擰緊力矩一定時，摩擦系數越小，則軸向預緊力越大，如 M10×1.25 螺栓擰緊力矩為50N?m 時，摩擦系數將從0.3減小到0.1，軸向預緊力從15kN增大至 40kN 。因此，在保證螺栓不發生自松動的前提下，減小摩擦系數可提高預緊力，增強連接可靠性。

在實際的優化中，根據被連接件材料選擇合適的螺栓材料，減少摩擦系數波動。當鋼質材料與鋁質材料連接時，要采用表面鍍鎳的螺栓，從而將摩擦系數穩定在0.1～0.16范圍內。同時，要加強清潔度控制，清除螺紋和支承面上的油污、鐵屑等雜質，避免摩擦系數異常增大。尤其是在擰緊前，增加壓縮空氣清潔工序，使摩擦系數異常波動頻次降低。此外，要注重溫度變化下的適應性，如在高溫環境下，采用耐高溫潤滑劑，使摩擦系數波動范圍不超過 ±0.02 。當然，摩擦系數過小（ lt;0.08 ）也會導致螺栓自松動；過大（ gt;0.25 ）則會降低預緊力轉化效率，易產生粘滑效應，因此總摩擦系數應控制在0.13±0.03 范圍內。

3.4粘滑因素分析

粘滑效應是在螺栓擰緊過程中，由于靜摩擦與動摩擦的交替作用，導致扭矩和轉角出現周期性波動的現象，造成預緊力不足、螺栓松動等問題，嚴重影響連接品質。具體而言，當螺栓開始轉動時，靜摩擦力突然轉化為動摩擦力，摩擦力瞬間減小，螺栓轉速突然上升，由于螺栓與被連接件表面接觸狀態變化，隨后摩擦力又逐漸增大，轉速降低形成周期性的“粘-滑”循環。

針對粘滑效應的特點，在實際優化措施應用中，可以側重降低擰緊速度。比如，在終緊階段采用低速擰緊，將速度控制在 5～10r/min 范圍，以減少摩擦系數的動態波動。此外，在控制摩擦系數時，可以通過表面處理和潤滑等手段，將摩擦系數控制在0.14以下。比如，采用安美特藥水處理螺栓表面后，摩擦系數穩定在0.1～0.13，粘滑效應基本消除。同時，積極優化螺栓傾角，將螺栓端面傾角控制在 0～0.25^° 范圍內，降低擰緊過程中的應力集中，全面減少粘滑現象。

4結束語

綜上所述，汽車總裝環節的螺栓擰緊控制工藝優化，無疑是提升車輛裝配品質和可靠性的關鍵。通過對螺栓擰緊原理、控制方法及優化策略的系統分析，認為在不同的螺栓擰緊控制方法中，應當注重扭矩因數、摩擦系數和粘滑效應等影響，并通過標準化表面處理、優化潤滑劑、控制擰緊速度等措施，有效減小預緊力離散度。在抑制粘滑效應。同時，為更好地適應未來汽車總裝螺栓擰緊需求，還要進一步提升螺栓擰緊控制技術，實現向智能化、自動化方向發展，進一步提高裝配品質的穩定性。

參考文獻

[1]吳清祥.汽車總裝車間產品安全相關聯接過程一致性的研究及改進[J].汽車工藝與材料，2018（6）：11-19.

[2]張博，楊根科，陳德忠.汽車總裝螺栓擰緊控制工藝分析及優化[J].機械制造，2019，57（5）：13-16.

[3]張春峰，李昱岐.基于多模態數據的新能源汽車總裝螺栓擰緊異常監測方法[J].汽車知識，2023，23（2）：247-251，256.

[4]楊萬慶，呂奉陽，謝鋒，等.摩擦系數對螺栓連接的影響分析[J].汽車實用技術，2022，47（13）：78-82.

（編輯 楊景）