
其中
Q:装配轴力
F0:贴合时轴力
E:螺栓弹性系数
P:螺距
α:螺栓转角
从公式中能够清晰看出,当螺纹连接进入贴合状态之后,装配轴力主要与螺栓转角存在紧密关联,也正因如此,这种拧紧方式所得到的装配轴力精度较高、离散程度较小,并且受摩擦系数的影响也较小。
不过,并非所有位置都适宜开发成过屈服的扭矩转角法拧紧工艺。那么,在哪些具体情况下,扭矩法会比扭矩转角法更为适用呢?
01、哪些连接位置,扭矩法比转角法更合适?
1.1 软连接
软连接指的是被连接件中包含塑料、橡胶等非刚性部件的连接形式,其主要特征在于,从零件相互贴合到最终拧紧的过程中,所需转过的角度非常大,而且不同零件在该过程中的角度值差异也极为显著。这种情况给扭矩转角法的应用造成了诸多困难:一方面,螺栓难以拧紧至屈服状态;另一方面,由于被连接件存在波动,会出现部分零件的终紧扭矩过高,而部分零件的终紧扭矩过低的现象,最终致使装配轴力的偏差反而较大。相比之下,采用扭矩法则更为适宜,只要扭矩达到预先设定的数值,最终轴力就能得到保证,并且其轴力的波动性相较于扭矩转角法反而更小。

为切实有效地解决扭矩转角法在软连接应用中扭矩偏差较大的问题,可在设计层面将软连接转变为硬连接。如下图所示,具体做法是在塑料件中间嵌入一个金属衬套,如此一来,参与连接的零件便从塑料件转变为金属件,连接特性也随之从软连接转变为硬连接。

1.2 焊接间隙大
车身上焊接螺纹的应用极为普遍,然而受零件状况、工艺水平、设计因素等影响,部分位置的焊接间隙偏大,且支撑刚性较强。在使用扭矩转角法进行拧紧操作时,门槛扭矩难以有效消除间隙影响。当继续采用转角控制方式时,角度会被大量消耗在填补焊接间隙上,进而造成终紧扭矩波动幅度大,容易出现扭矩低于监控窗口下限而触发报警的情况。解决这一问题的办法,可以尝试提高门槛扭矩或者降低焊接间隙,若效果不理想,改为采用扭矩法拧紧会更为合适。

1.3 被连接件夹持长度短
被连接件的夹持长度越短,在螺纹连接曲线里,从屈服点至断裂失效点所对应的角度就会越小。这种情况会给扭矩转角法拧紧时的角度设计造成困难:若装配转角设计得过小,螺栓便无法达到屈服状态;若装配转角设计得过大,螺栓又容易发生断裂失效。
当被连接件的夹持长度小于0.5*d时(其中d代表螺纹大径),此时就不适宜采用扭矩转角法进行设计,改用扭矩法拧紧会更为合适。

1.4 紧固件重复使用
采用扭矩转角法拧紧的螺栓,其利用率能够达到100%。在螺栓卸载之后,由于它已超出弹性阶段,无法恢复到原来的状态。而且,当螺栓首次拧过屈服点后,其塑性会出现一定程度的降低。若该螺栓再次被拧过屈服点进行紧固,螺栓就容易出现颈缩现象或者在拧紧过程中发生断裂,这极大地降低了螺栓连接的可靠性。所以,对于那些需要反复拆装的紧固件而言,采用扭矩法进行拧紧会更为合适。
1.5 被连接件一致性差
当下扭矩转角法未得到广泛应用的其中一个原因,在于被连接件的一致性欠佳。扭矩转角工艺的开发,需要一定数量的零件来开展测试与分析工作。当被连接件的质量稳定性较差时,就很难精准确定合适的工艺门槛扭矩与角度。即便确定了相关参数,在进入批量生产阶段后,一致性差的零件仍会引发装配最终扭矩波动幅度大、扭矩衰减程度大等一系列问题。所以,对于被连接件一致性较差的情况,采用扭矩法拧紧会更为适宜。

1.6 啮合螺纹少的钢制或轻金属连接件
扭矩转角法拧紧能使螺栓应用于高应力水平场景,其装配轴力较大,因而对螺纹连接的承载能力有着较高要求。部分被连接件由于受到空间和尺寸的限制,螺纹啮合长度较短,将螺纹副拧至失效的表现形式为螺纹滑牙。特别是轻金属连接件,其强度较低,即便适当增加啮合螺纹的长度,失效形式依旧是滑牙。对于这类螺纹连接位置,不适合采用螺栓高利用率的扭矩转角法拧紧,而更适合采用螺栓低利用率的扭矩法拧紧。
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