自动拧紧技术浅析

在拧紧螺母时，其拧紧扭矩 M 需要克服被旋合螺纹间的摩擦力矩和螺母与被联接件（或垫圈）支承面间的摩擦力矩，并使联接产生预紧力 P，它们的关系为：M=KDF×10-3；其中 D：螺纹公称直径（mm）；F 预紧力（N）；K：阻力系数。 

在一般地制造装配环节，预紧力 F 取螺栓破坏荷载的70%-80%，破坏荷载是材料的屈服极点与螺栓有效面积乘积， 通常在0.1-0.3 之间，一般取中间值 0.2。 

根据中国汽车行业标准，汽车用螺纹紧固规范提出了标准： 

螺纹紧固件标准拧紧力矩：M=0.142DF×10-3 

螺纹紧固件最小拧紧力矩：M=0.114DF×10-3 

螺纹紧固件最大拧紧力矩：M=0.17DF×10-3 

在装配时大多数螺纹都必须拧紧，确保连接在受工作负荷之前，预先受到力的作用，这个预先附加的力叫做预紧力。预紧力的意义是增强部件连接的可靠性及紧密型，防止出现缝隙或滑动。螺纹的联接对螺栓总载荷，联接临界点载荷，抗横向的载荷能力以及密封性产生影响。过小或者过大的预紧力都会对工件的可靠性构成隐患，故预紧力精度，大小，准确度至关重要。螺纹拧紧质量控制的关键不是拧紧控制的扭矩，而是轴向的预紧力，通过灵敏型动态扭矩传感器精确控制轴向预紧力。

2、最大预紧力理论

 预紧的过程中，预紧力过大将会使螺纹发生静力破坏，或螺纹齿牙被压断，甚至发生断裂。其在螺栓上的应力称之为 σ。因为拧紧扭矩的作用，又产生了切应力 τ。根据力学强度理论，其等效应力 σ0。

通常情况下允许螺栓工作载荷引起的拉应力增量为 0.1σs，由力学理论可得，τ/σ=0.5，代入式中，可得 σmax=0.7σs， 即最大的预紧力尽量须在屈服点附近 70%。 

2.1 预紧力与转角关系 

在影响因素最小的条件下，即使施加相同的拧紧力矩， 其预紧力偏差也在±25。所以须对预紧力 F 与转角 θ 关系进 行分析。 

转角即位移量：s=Pθ/360°； 

其中 θ 为转角；P 是螺距； 

由于不同联接件的刚度比不同，转动螺母一面压缩零件， 一面拉伸螺栓，类似两个弹簧，系统刚度 Cs=CbCj/（Cb+Cj），Cj-被联接零件刚度，Cs-系统刚度，Cb-螺纹刚度。

在拧紧过程中，最开始的几周内不会有预紧力，预紧力产生于接触联接后，随伸长量迅速增加。由前面系统刚度公式得出预紧力 F 与转角 θ 为线性关系。

如图 3 所示，原点到 A 为空转，此时无预紧力；AB 之间是贴近过渡过程，BC可近似线性，从 C 点开始屈服，CD 为屈服后曲线。 

2.2 预紧力与伸长量关系 

伸长量在预紧力屈服之前关系是：δb=F/C=Fl/（EA），其 中 δb 为伸长量，E 是弹性模量，A 为螺栓横截面的面积，l 是螺栓长。 

可见，预紧力与伸长量成线性关系，由于摩擦系数和刚度关系，难以估计，故只需对比拧紧前后长度差就可知道准确伸长量，这样控制预紧力精度最好。

总结

作为工业生产中质量控制关键工艺的重要组成部分，拧紧工艺是否，从标准件的选用到拧紧流程的控制，再到拧紧结果的检测，每个环节都至关重要，任何一个环节的优化改造升级，对拧紧工艺的控制都会产生质的飞跃。当然，所有的优化都要遵从受力学的基本原理，因为拧紧的本质就是对力的控制，只有把握好最基本的控制原则，再寻求工艺的优化和升级，才会得到稳定牢固的产品。 

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