設(shè)計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方法是確保線束中每一個螺栓正確擰緊的重要因素。重點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，以及螺栓連接中動態(tài)扭矩、靜態(tài)扭矩以及扭矩的衰減進行探討。

?

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、負極端子的夾緊同樣需要用螺栓進行夾緊連接。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)容進行闡述，與各位同行共同學習。

01?? 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、標準化部件、節(jié)省成本等優(yōu)點；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。硬連接是指到達貼合點后，旋轉(zhuǎn)30°以內(nèi)達到目標扭矩的連接；軟連接是指到達貼合點后，旋轉(zhuǎn)2圈（720°）以上達到目標扭矩的連接。

常見的硬連接有發(fā)動機缸體、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。

02? 螺栓擰緊連接的控制方法及優(yōu)缺點

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數(shù)值，達到數(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，達到數(shù)值后即為擰緊結(jié)束；屈服點控制是指螺栓在達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)和最小力矩時提供最小的夾緊力。

?

采用扭矩控制具有以下優(yōu)點：①容易實現(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)計的標準數(shù)據(jù)，且應(yīng)用歷史悠久；③過程和設(shè)備的有效性校驗過程非常容易；④工程師非常熟悉，廣為人知。

?

缺點：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，利用了力矩變動較小的優(yōu)勢。

采用角度控制具有以下優(yōu)點：①相對容易實現(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：①標準的擰緊規(guī)范通常不 能直接使用，必須做一些連接分析／實驗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；③工具同時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)條件下檢驗工具性能滿足要求較難，設(shè)置和校驗產(chǎn)品參數(shù)的費用較高，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的擰緊角度，控制、檢驗比較困難。我們不可能將一個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。

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

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，本文重點討論螺栓擰緊連接的扭矩控制與檢驗方法。

03? 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、手動套筒、電動螺絲刀（套筒）、氣動沖擊扳手、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的工具。圖5為常見的擰緊工具。

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、咔嗒手動扭矩扳手、 電動螺絲刀（套筒）、氣動沖擊扳手、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。

另外一個不可回避的問題就是成本問題，工具的自動化、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。

04? 螺栓連接的動態(tài)扭矩與靜態(tài)扭矩

?

動態(tài)扭矩是指當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、氣動力工具都可以施加動態(tài)扭矩。動態(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方式擰緊力矩，使螺栓再次旋轉(zhuǎn)或離開擰緊位置時輸出的扭矩（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)顯扭矩扳手驗證后得到的扭矩驗證數(shù)值。

?

動態(tài)扭矩是通用汽車公司認可的擰緊方式，動力總成裝配線上的Bosch電動扳手就是使用這個方法。當用手動扳手重新檢測螺栓時，則采用靜態(tài)扭矩，靜態(tài)扭矩不是通用汽車公司認可的擰緊方式。

通用汽車公司認為：動態(tài)扭矩比靜態(tài)扭矩更加準確，重復(fù)性更強。動態(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，不同的螺栓，差別程度又有所不同。由于靜態(tài)重檢不如原先的動態(tài)扭矩準確，而且還會損壞好的粘結(jié)點，所以對合格工件進行重新檢 測不是一個好方法。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)動機或變速器進行靜態(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行了扭矩校正，但是實際生產(chǎn)過程中，螺栓的擰緊工具有可能出現(xiàn)故障，造成螺栓的動態(tài)扭矩值不符合設(shè)計要求， 所以僅靠動態(tài)扭矩來保證擰緊品質(zhì)還遠遠不夠，仍然要對總裝完畢的線束中螺栓進行二次靜態(tài)扭矩驗證，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。

05? 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)過一定的時間會出現(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)測量檢驗扭矩時只能達到 4.2～5.0之間。

質(zhì)檢員通常會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。因為螺栓擰緊以后要有一個衰減過程，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。

軟連接上靜態(tài)扭矩與動態(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，動態(tài)扭矩衰減的程度也各不相同。一般情況下，60%～70%的動態(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)扭矩的實測值要小于動態(tài)擰緊扭矩的數(shù)值。圖8為扭矩衰減曲線圖。

硬連接上由于較高的靜態(tài)摩擦力，靜態(tài)扭矩可 能要比動態(tài)扭矩要高。圖9中倒V的拐點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)計實例

?

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，隨后主機廠又組織相關(guān)人員對我公司進行一次審核，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行二次靜態(tài)扭矩驗證，并且要求每月將扭矩驗證數(shù)據(jù)匯總提交給該主機廠品質(zhì)部門。

該儀表線束產(chǎn)品設(shè)計中， 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的動態(tài)扭矩還是螺栓擰緊后的靜態(tài)扭矩值。工藝文件設(shè)計嚴格執(zhí)行產(chǎn)品圖紙設(shè)計4.5（+0.0， -0.3）Nm值，生產(chǎn)車間按照工藝將螺栓擰緊時的氣動扭矩沖擊扳手的扭矩調(diào)整為4.5 Nm進行螺栓的擰緊操作。

然而線束生產(chǎn)下線后，質(zhì)檢部對螺栓進行二次驗證，螺栓的靜態(tài)扭矩通常在3.8～4.0Nm之間跳動，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個多月的實際跟蹤觀察， 并多次采用不同的動態(tài)扭矩擰緊螺栓試驗和數(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扭矩沖擊扳手扭矩試驗性調(diào)整為6 Nm、 5.9 Nm和6.4 Nm 三個擰緊扭矩， 一次將螺栓擰緊，線束總裝后測量的靜態(tài)扭矩數(shù)值如圖10所示。

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)計值無法滿足實際生產(chǎn)需要，屬不合理設(shè)計。與主機廠進行溝通無結(jié)果的情況下，經(jīng)過會議評審，決定改變螺栓的擰緊方案。

在螺栓的擰緊工位將氣動扭矩扳手動態(tài)扭矩設(shè)定為3.8 Nm，進行預(yù)擰緊操作，然后再手工用咔嗒扭矩扳手擰緊至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)過擰緊驗證符合要求后，產(chǎn)品的一次合格率 仍然不能達到要求。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。

為了使螺栓擰緊后的扭矩符合產(chǎn)品設(shè)計4.5（+ 0.0，-0.3） Nm的要求，增加一個螺栓扭矩驗證工位。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)顯扭矩扳手進行人工100%螺栓扭矩的驗證、修正，并記錄驗證或修正后的扭矩值。

?

螺栓靜態(tài)扭矩驗證過程中，檢驗靜態(tài)扭矩小于設(shè)計扭矩時，將螺栓再次緩慢擰緊至設(shè)計扭矩范圍；檢驗靜態(tài)扭矩大于設(shè)計扭矩時，將螺栓再次緩慢回擰略低于設(shè)計扭矩范圍，再次緩慢擰緊螺栓至設(shè)計扭矩范圍。螺栓擰緊驗證時，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，數(shù)顯扭矩扳手指示燈亮起即止。然后對線束進行100%外觀、尺寸檢驗合格后，成品線束包裝入庫。

?

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)品進行抽樣檢驗并對比分析， 螺栓在靜止前后的扭矩變化趨于平穩(wěn)。圖11為庫存產(chǎn)品抽樣檢驗數(shù)據(jù)。檢驗數(shù)據(jù)也從另外一個方面證明螺栓在第一次30 ms衰減后，在長時間內(nèi)的扭矩衰減很少，產(chǎn)品狀態(tài)穩(wěn)定。

07? 總 結(jié)

由于在進行螺栓靜態(tài)扭矩驗證過程中，無法用儀器測量螺栓的螺紋在設(shè)定的靜態(tài)扭矩擰緊后的變形狀態(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)， 增加一個螺栓扭矩驗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大于 0.3Nm，存在著產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)參數(shù)不合理的事實。

?

另外在產(chǎn)品設(shè)計的過程中，應(yīng)根據(jù)螺栓擰緊實際情況，設(shè)計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)。