設(shè)計(jì)合理的螺栓擰緊連接方案、正確采用螺栓擰緊工具、有效的螺栓擰緊檢驗(yàn)方法是確保線束中每一個(gè)螺栓正確擰緊的重要因素。重點(diǎn)對汽車線束中熔斷絲盒、中央電器盒中熔斷絲、電源線端子的螺栓連接，以及螺栓連接中動(dòng)態(tài)扭矩、靜態(tài)扭矩以及扭矩的衰減進(jìn)行探討。

在汽車線束中，有些導(dǎo)線孔式端子、熔斷絲、連接片等需要用螺栓來擰緊連接，電源線束正、負(fù)極端子的夾緊同樣需要用螺栓進(jìn)行夾緊連接。這些需要用M5、M6、M8的螺栓或者螺母連接的部件通常分布在中央電器盒、前艙線束的熔斷絲盒、儀表線束的熔斷絲盒、電源線束的熔斷絲盒、電源線束 的正負(fù)極接頭上。

然而這些用螺栓連接的部件功能和性能要求都比較高，螺栓或者螺母擰緊連接的失效將直接影響汽車線束安全，甚至造成嚴(yán)重的品質(zhì)事故。本文對汽車線束中螺栓的擰緊連接方面的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行闡述，與各位同行共同學(xué)習(xí)。

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螺栓連接的類型及分類

常見的物體連接方式有焊接、粘接、鉚接、螺栓擰緊連接等，螺栓的擰緊連接具有簡單方便、可以多次拆卸與重新裝配、標(biāo)準(zhǔn)化部件、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)；汽車線束中的連接主要有端子冷沖壓連接、超聲波焊接、電阻焊接、螺栓連接等。

螺栓擰緊連接通常分為：硬連接、軟連接兩種，如圖1所示。硬連接是指到達(dá)貼合點(diǎn)后，旋轉(zhuǎn)30°以內(nèi)達(dá)到目標(biāo)扭矩的連接；軟連接是指到達(dá)貼合點(diǎn)后，旋轉(zhuǎn)2圈（720°）以上達(dá)到目標(biāo)扭矩的連接。

圖1 螺栓擰緊連接方式

常見的硬連接有發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、汽車底盤橋架、鋼構(gòu)件等之間的連接。常見的軟連接有塑料與金屬之間或塑料與塑料之間的連接、熔斷絲盒與熔斷片之間的連接。譬如，我公司的中央電器盒產(chǎn)品、線束產(chǎn)品上所用的螺栓連接都是屬于軟連接。

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螺栓擰緊連接的控制方法及優(yōu)缺點(diǎn)

螺栓擰緊連接的控制方法有：①扭矩控制／角 度監(jiān)控；②角度控制／扭矩監(jiān)控；③扭矩和角度控制。

扭矩控制是指設(shè)定擰緊工具的最大扭矩?cái)?shù)值，達(dá)到數(shù)值后即為擰緊結(jié)束；角度控制是指設(shè)定擰緊工具擰緊旋轉(zhuǎn)一定的圈數(shù)（角度）數(shù)值，達(dá)到數(shù)值后即為擰緊結(jié)束；屈服點(diǎn)控制是指螺栓在達(dá)到塑性變形之前即為擰緊結(jié)束。

扭矩控制方式是人們最熟悉的螺栓擰緊控制方式。扭矩與夾緊力之間的關(guān)系是在出現(xiàn)最大摩擦系數(shù)和最小力矩時(shí)提供最小的夾緊力。

采用扭矩控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：①容易實(shí)現(xiàn)不同精度等級的控制，從±25%的脈沖型工具到±1%的手工擰緊軸（套筒）；②擁有大量的產(chǎn)品和過程設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，且應(yīng)用歷史悠久；③過程和設(shè)備的有效性校驗(yàn)過程非常容易；④工程師非常熟悉，廣為人知。

缺點(diǎn)：①夾緊力的精度很差，可能到±60%，受摩擦系數(shù)影響大；② 沒有根本辦法防止螺栓斷裂；③以上2個(gè)原因?qū)е侣菟芰寐实汀?0%。扭矩控制曲線如圖2所示。

角度控制是在彈性區(qū)域內(nèi)避免摩擦系數(shù)大范圍變動(dòng)對夾緊力的影響，它通過控制轉(zhuǎn)角來擰緊，利用了力矩變動(dòng)較小的優(yōu)勢。

圖2 扭矩控制曲線圖

采用角度控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：①相對容易實(shí)現(xiàn)，只需規(guī)定擰緊的角度數(shù)（圈數(shù)）；②過程和產(chǎn)品的有效性相對容易檢查；③ 現(xiàn)場維修的成本和精度要求可以接受；④螺栓利用率得到大大提高。

缺點(diǎn)：①標(biāo)準(zhǔn)的擰緊規(guī)范通常不 能直接使用，必須做一些連接分析／實(shí)驗(yàn)室分析工作確定擰緊狀態(tài)符合要求；②無法使用扭力扳手復(fù)緊來校驗(yàn)；③工具同時(shí)需要具有扭矩和角度測量能力。

采用螺栓塑性區(qū)域內(nèi)的角度控制，在批量生產(chǎn)條件下檢驗(yàn)工具性能滿足要求較難，設(shè)置和校驗(yàn)產(chǎn)品參數(shù)的費(fèi)用較高，螺栓一般無法重復(fù)使用，另外也很難確定螺栓塑性變形時(shí)的擰緊角度，控制、檢驗(yàn)比較困難。我們不可能將一個(gè)塑性變形后即將斷裂的螺栓拿來繼續(xù)使用，同理而言，螺栓的利用率是很高的，一般都采用彈性變形區(qū)的角度控制法。角度控制曲線如圖3所示。

圖3 角度控制

屈服點(diǎn)控制是最困難的一種擰緊控制方法，需要專業(yè)、精密的儀器進(jìn)行多次的測量與試驗(yàn)分析才能完成，過程檢驗(yàn)困難， 設(shè)備比較昂貴，一般情況下不采用屈服點(diǎn)控制（圖4）。

圖4 屈服點(diǎn)控制

結(jié)合汽車線束產(chǎn)品中熔斷絲盒和中央電器盒中螺栓連接的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)討論螺栓擰緊連接的扭矩控制與檢驗(yàn)方法。

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螺栓擰緊工具級別與選用

常用的螺栓擰緊與測量工具有以下幾種：呆扳手、手動(dòng)套筒、電動(dòng)螺絲刀（套筒）、氣動(dòng)沖擊扳手、咔嗒扭矩扳手、數(shù)顯扭矩扳手、指針扭矩扳手等，其中數(shù)顯扭矩扳手、指針扭矩扳手也可作為扭矩檢驗(yàn)的工具。圖5為常見的擰緊工具。

圖5 常見的擰緊工具

擰緊工具又根據(jù)工具類別和擰緊精度與性能分為3類。線束制造企業(yè)通常采用的擰緊工具有呆扳手、咔嗒手動(dòng)扭矩扳手、 電動(dòng)螺絲刀（套筒）、氣動(dòng)沖擊扳手、數(shù)顯扭矩扳手、指針式扭矩扳手。

由圖5可以看出，大部分線束制造企業(yè)的螺栓擰緊工具處于第1類，只有螺栓扭矩檢驗(yàn)工具才使用數(shù)顯扭矩扳手或指針式扭矩扳手，在螺栓擰緊工具方面還有巨大的提升空間。

另外一個(gè)不可回避的問題就是成本問題，工具的自動(dòng)化、智能化程度越高，擰緊工具的成本也就成數(shù)十倍 的增加，造成相關(guān)產(chǎn)品的制造成本增加，需要根據(jù)成本、價(jià)值相關(guān)數(shù)據(jù)分析，采用適合的擰緊工具。圖 6為擰緊工具類別。

圖6 擰緊工具類別

04

螺栓連接的動(dòng)態(tài)扭矩與靜態(tài)扭矩

動(dòng)態(tài)扭矩是指當(dāng)緊固件在被固定的過程中測量得到的最大峰值。扭力扳手和電、氣動(dòng)力工具都可以施加動(dòng)態(tài)扭矩。動(dòng)態(tài)扭矩不能在緊固件被緊固之后測量。

靜態(tài)扭矩是指擰緊完成后用手動(dòng)方式擰緊力矩，使螺栓再次旋轉(zhuǎn)或離開擰緊位置時(shí)輸出的扭矩（克服靜態(tài)摩擦力），檢測扭矩即靜態(tài)扭矩。

通俗地講，動(dòng)態(tài)扭矩就是某型號線束生產(chǎn)流水線班前，用數(shù)顯扭矩測量儀器測定氣動(dòng)扭矩扳手的扭矩設(shè)定數(shù)值，靜態(tài)扭矩就是質(zhì)檢員對線束熔斷絲盒螺栓用指針或數(shù)顯扭矩扳手驗(yàn)證后得到的扭矩驗(yàn)證數(shù)值。

動(dòng)態(tài)扭矩是通用汽車公司認(rèn)可的擰緊方式，動(dòng)力總成裝配線上的Bosch電動(dòng)扳手就是使用這個(gè)方法。當(dāng)用手動(dòng)扳手重新檢測螺栓時(shí)，則采用靜態(tài)扭矩，靜態(tài)扭矩不是通用汽車公司認(rèn)可的擰緊方式。

通用汽車公司認(rèn)為：動(dòng)態(tài)扭矩比靜態(tài)扭矩更加準(zhǔn)確，重復(fù)性更強(qiáng)。動(dòng)態(tài)扭矩的讀數(shù)與重檢靜態(tài)扭矩的讀數(shù)通常是不相同的。而且不同的粘結(jié)點(diǎn)，不同的螺栓，差別程度又有所不同。由于靜態(tài)重檢不如原先的動(dòng)態(tài)扭矩準(zhǔn)確，而且還會(huì)損壞好的粘結(jié)點(diǎn)，所以對合格工件進(jìn)行重新檢 測不是一個(gè)好方法。靜態(tài)重檢應(yīng)只限于工件返修，工件故障分析或工件拆卸檢查，不要對好的發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器進(jìn)行靜態(tài)檢查。

在線束的生產(chǎn)制造過程中，盡管在班前對螺栓的擰緊工具進(jìn)行了扭矩校正，但是實(shí)際生產(chǎn)過程中，螺栓的擰緊工具有可能出現(xiàn)故障，造成螺栓的動(dòng)態(tài)扭矩值不符合設(shè)計(jì)要求， 所以僅靠動(dòng)態(tài)扭矩來保證擰緊品質(zhì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍然要對總裝完畢的線束中螺栓進(jìn)行二次靜態(tài)扭矩驗(yàn)證，充分發(fā)揮靜態(tài)扭矩的監(jiān)控作用，確保線束中螺栓擰緊合格。

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螺栓連接扭矩的衰減

由于被連接構(gòu)件受螺栓夾緊力的作用，經(jīng)過一定的時(shí)間會(huì)出現(xiàn)變形，造成被連接部件之間的夾緊力減小，稱為衰減。硬連接的構(gòu)件之間夾緊力的衰減較小，軟連接的構(gòu)件夾緊力的衰減較大。

通常情況下，軟連接的扭矩衰減30%～40%。比如：我們在某線束的產(chǎn)品圖上設(shè)定電器盒中M6的螺栓扭矩T= 6±1Nm，然而通過工具擰緊達(dá)到設(shè)定扭矩后，然后用扭矩測量工具再次靜態(tài)測量檢驗(yàn)扭矩時(shí)只能達(dá)到 4.2～5.0之間。

質(zhì)檢員通常會(huì)判定為螺栓扭矩不合格，卻又找不出扭矩減少的原因，造成很大的困擾。因?yàn)槁菟〝Q緊以后要有一個(gè)衰減過程，由于線束熔斷絲盒螺栓擰緊、中央電器盒上被擰緊物料都是材質(zhì)較軟的銅片、鋅帶、塑料，這些都屬于螺栓擰緊中的軟連接，擰緊后被加緊的物料發(fā)生彈性或 者塑形變形較大，造成螺栓扭矩衰減變小。圖7為螺栓擰緊受力與扭矩衰減示意圖。

圖7 螺栓擰緊受力與扭矩衰減示意圖

軟連接上靜態(tài)扭矩與動(dòng)態(tài)扭矩值要偏小。由于螺栓、螺母、墊片、夾緊物的材質(zhì)、硬度各不相同，動(dòng)態(tài)扭矩衰減的程度也各不相同。一般情況下，60%～70%的動(dòng)態(tài)扭矩衰減發(fā)生在 30ms以內(nèi)，材質(zhì)越軟衰減也就越大。所以線束中螺栓靜 態(tài)扭矩的實(shí)測值要小于動(dòng)態(tài)擰緊扭矩的數(shù)值。圖8為扭矩衰減曲線圖。

圖8 扭矩衰減曲線圖

圖9 硬連接靜態(tài)扭矩測量值

硬連接上由于較高的靜態(tài)摩擦力，靜態(tài)扭矩可 能要比動(dòng)態(tài)扭矩要高。圖9中倒V的拐點(diǎn)即是扭力扳手測得的硬連接上的靜態(tài)扭矩。

06

軟連接螺栓擰緊方案設(shè)計(jì)實(shí)例

2013年9月， 我公司的某車型儀表線束的熔斷絲盒螺栓擰緊出現(xiàn)品質(zhì)問題，隨后主機(jī)廠又組織相關(guān)人員對我公司進(jìn)行一次審核，審核后要求我公司針對該車型的儀表線束螺栓擰緊必須進(jìn)行二次靜態(tài)扭矩驗(yàn)證，并且要求每月將扭矩驗(yàn)證數(shù)據(jù)匯總提交給該主機(jī)廠品質(zhì)部門。

該儀表線束產(chǎn)品設(shè)計(jì)中， 要求熔斷絲盒中M5螺栓的扭矩為4.5 （ 0.0， -0.3） Nm， 也未注明是螺栓擰緊時(shí)的動(dòng)態(tài)扭矩還是螺栓擰緊后的靜態(tài)扭矩值。工藝文件設(shè)計(jì)嚴(yán)格執(zhí)行產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)4.5（ 0.0， -0.3）Nm值，生產(chǎn)車間按照工藝將螺栓擰緊時(shí)的氣動(dòng)扭矩沖擊扳手的扭矩調(diào)整為4.5 Nm進(jìn)行螺栓的擰緊操作。

然而線束生產(chǎn)下線后，質(zhì)檢部對螺栓進(jìn)行二次驗(yàn)證，螺栓的靜態(tài)扭矩通常在3.8～4.0Nm之間跳動(dòng)，將產(chǎn)品判定為不合格， 造成生產(chǎn)部門與質(zhì)檢部門的多次糾紛。為了研究查找螺栓扭矩變化不定的原因， 經(jīng)過連續(xù)2個(gè)多月的實(shí)際跟蹤觀察， 并多次采用不同的動(dòng)態(tài)扭矩?cái)Q緊螺栓試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集。

為了滿足質(zhì)檢人員用數(shù)顯扭矩扳手測量靜態(tài)扭矩值符合 4.2～4.5 Nm之間，分別將螺栓擰緊工位的氣動(dòng)扭矩沖擊扳手扭矩試驗(yàn)性調(diào)整為6 Nm、 5.9 Nm和6.4 Nm 三個(gè)擰緊扭矩， 一次將螺栓擰緊，線束總裝后測量的靜態(tài)扭矩?cái)?shù)值如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)品靜態(tài)扭矩曲線

從圖10可以看出，產(chǎn)品的一次合格率分別為 81.481%、62.963%、52%。由于螺栓的衰減，測量的靜態(tài)扭矩跳動(dòng)十分大，排除測量人員的人為因素，可以得出的結(jié)論是：軟連接的螺栓靜態(tài)扭矩的變化幅度太大，產(chǎn)品圖紙所設(shè)計(jì)的螺栓扭矩公差帶太窄（0～0.3 Nm），故該產(chǎn)品螺栓扭矩設(shè)計(jì)值無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，屬不合理設(shè)計(jì)。與主機(jī)廠進(jìn)行溝通無結(jié)果的情況下，經(jīng)過會(huì)議評審，決定改變螺栓的擰緊方案。

在螺栓的擰緊工位將氣動(dòng)扭矩扳手動(dòng)態(tài)扭矩設(shè)定為3.8 Nm，進(jìn)行預(yù)擰緊操作，然后再手工用咔嗒扭矩扳手?jǐn)Q緊至4.5Nm。通過多天的觀察取樣，軟連接的螺栓扭矩盡管在衰減后經(jīng)過擰緊驗(yàn)證符合要求后，產(chǎn)品的一次合格率 仍然不能達(dá)到要求。連續(xù)9天正常生產(chǎn)情況下的螺栓扭矩取樣數(shù)據(jù)見表1，產(chǎn)品一次合格率根本無法滿足生產(chǎn)要求。

表1 連接跟蹤扭矩跟蹤數(shù)據(jù)

為了使螺栓擰緊后的扭矩符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)4.5（ 0.0，-0.3） Nm的要求，增加一個(gè)螺栓扭矩驗(yàn)證工位。線束100%電檢導(dǎo)通合格后，熔斷絲盒內(nèi)的附件安裝完畢，使用數(shù)顯扭矩扳手進(jìn)行人工100%螺栓扭矩的驗(yàn)證、修正，并記錄驗(yàn)證或修正后的扭矩值。

螺栓靜態(tài)扭矩驗(yàn)證過程中，檢驗(yàn)靜態(tài)扭矩小于設(shè)計(jì)扭矩時(shí)，將螺栓再次緩慢擰緊至設(shè)計(jì)扭矩范圍；檢驗(yàn)靜態(tài)扭矩大于設(shè)計(jì)扭矩時(shí)，將螺栓再次緩慢回?cái)Q略低于設(shè)計(jì)扭矩范圍，再次緩慢擰緊螺栓至設(shè)計(jì)扭矩范圍。螺栓擰緊驗(yàn)證時(shí)，數(shù)顯扭矩扳手的手柄旋轉(zhuǎn)角度約2°左右，即略微感覺數(shù)顯扭矩扳手轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)顯扭矩扳手指示燈亮起即止。然后對線束進(jìn)行100%外觀、尺寸檢驗(yàn)合格后，成品線束包裝入庫。

圖11 庫存產(chǎn)品抽樣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了監(jiān)控庫存產(chǎn)品線束中螺栓扭矩的變化情況，分別將庫存靜止衰減24 h和48 h產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)并對比分析， 螺栓在靜止前后的扭矩變化趨于平穩(wěn)。圖11為庫存產(chǎn)品抽樣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)也從另外一個(gè)方面證明螺栓在第一次30 ms衰減后，在長時(shí)間內(nèi)的扭矩衰減很少，產(chǎn)品狀態(tài)穩(wěn)定。

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總 結(jié)

由于在進(jìn)行螺栓靜態(tài)扭矩驗(yàn)證過程中，無法用儀器測量螺栓的螺紋在設(shè)定的靜態(tài)扭矩?cái)Q緊后的變形狀態(tài)，即擰緊狀態(tài)下的螺栓或螺母的螺紋是處在彈性變形區(qū)還是塑性變形區(qū)， 增加一個(gè)螺栓扭矩驗(yàn)證工位并不是最佳的螺栓擰緊方案。

由于該產(chǎn)品的螺栓扭矩的公差帶太窄，并且線束熔斷絲盒、 中央電器盒內(nèi)軟連接的螺栓扭矩衰減的變化幅度遠(yuǎn)大于 0.3Nm，存在著產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)不合理的事實(shí)。

另外在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)根據(jù)螺栓擰緊實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出軟連接與硬連接不同的扭矩范圍值與公差帶，才能滿足產(chǎn)品實(shí)際需要。線束熔斷絲盒、中央電器盒螺栓軟連接具有一定復(fù)雜性、不確定性，只有選取合適的擰緊工具，采用合理的擰緊方案，才能最大限度地確保線束產(chǎn)品的安全和品質(zhì)。