16.东风王杨-残余力矩的监控方法

残余力矩的监控方法

王杨

（神龙汽车有限公司技术中心整车部车身分部焊装工艺室，湖北武汉 430056）

摘要在汽车装配线上，需要对拧紧工具进行监控，建立检查清单和检查标准，并保证对工具有效的检查频次。本文论述了在整车装配中需要对拧紧进行不同级别的抽检，保证一定的检查频次，以保证残余力矩有效合格。

关键词汽车装配；螺纹连接；拧紧；残余应力

1 概念

残余力矩：在螺母螺栓连接的紧固件在用工具拧紧后一段时间或者工况后残留下来且继续保持的扭力值。

2 背景

在汽车制造工艺中，螺栓的拧紧涉及到“四门两盖”的装配，活动选装件的装配，总装内、外饰的装配，悬挂和动力总成的装配，因此残余力矩的监控对于质量和安全有着不可忽视的作用。在科学技术不断进步的今天，对残余力矩的监控越来越趋于严格，由原始的普通扳手，到气、电动扳手，到今天的伺服电动扳手，精度越来越高。对于怎样能够有效地监控残余力矩的研究，已经提上日程，成为如今汽车拧紧装配技术的重要课题。

3 残余力矩的监控

在汽车整车装配中，有着大量的螺栓连接部件。螺钉-螺母连接过程，是通过螺钉和螺母的旋合产生的压紧力来将不同的零件连接在一起。一般我们监控螺钉的打紧力矩，实际上就是对残余力矩的监控，我们监控残余力矩的大小实际上就是对该压紧力进行监控，因为我们能够准确的测量和检测是工具的使用力矩，而不能准确的测出压紧力的大小，我们可以通过测量残余力矩的大小来间接的反馈压紧力地大小，但是残余力矩的影响因素很多，不能得到一个准确值，同一把工具的打紧相同螺钉的参与力矩也只是在一个范围内波动。所以目前我们无法直接对螺钉打紧中的压紧力进行有效的监控，我们目前只能通过对螺钉-螺母间的残余力矩的测量来间接反映连接的压紧力的大小。在螺钉或者螺母发生滑丝或者变形时，需要通过对螺钉做对应的拉伸试验来测量压紧力的大小。所以在螺钉-螺母连接的装配中，通过对残余力矩的有效监控来保证压紧力的大小，在保证装配质量上是一项最为直接简单的办法。

4 残余力矩的监控方法

对于残余力矩的测量方法，在实际运用中用到的方法有：拧紧法，划线拧紧法，伺服监控法。

1.拧紧法

拧紧法就是对已经拧紧的螺栓朝拧紧方向继续拧紧，螺栓刚转动时的力矩就是残余力矩。通常采用适当量程的表盘扳手测量残余力矩，因为静摩擦力大于动摩擦力，对已经拧紧的螺栓朝拧紧方向拧紧，克服螺栓静摩擦力刚转动时会有一个短暂的打滑过程，这个打滑过程人是能够清晰感觉到的，当出现打滑时就停止拧紧这时测得的最大力矩就是残余力矩。这种测量方法简单、实用，但因为与人的影响因素关系大，所以测量精度较低，需要检测者具有一定的操作经验。

2．划线拧紧法

在螺钉拧紧后，在螺钉和拧紧零件表面划一条细直线，把螺钉略微松开一点，再次拧紧到螺钉和零件的直线对齐的位置，此时表盘扳手所测到的值就是残余力矩的值。划线测量的方法精度比较高，对分析拧紧缺陷比较有效。

图1 转矩-角度关系图

3.伺服监控法

采用伺服电动扳手进行打紧，能够通过伺服系统有效的监控打紧的残余力矩，并且还能够同时进行多种不同力矩的打紧，打紧的精度非常高，并能记录一定时间范围内的螺钉打紧力矩值，能够有效的监控残余力矩的大小。

图2 残余力矩监控

在拧紧后，螺钉或者螺母会发生少量的变形，在精度要求比较高的情况下，拧紧法和划线拧紧法的输出结果会发生一定的偏差，得出的值会比实际的残余力矩要大，但是用伺服系统可以进行有效的监控。但是在一般的环境中，对于螺钉拧紧力矩偏差达到15%时，采用拧紧法和划线拧紧法是可以满足要求的，这两种方法便于操作和实施，并且很经济，不用进行复杂的实验和材料实验分析。

5对残余力矩影响的其他因素

在验证残余力矩的过程中，还需要对周边的环境进行核实。

1.工具原因（工具的使用必须按工具的使用流程操作）：

（一）工具的选择

工具力矩的选择：对于一般的气动或者电动工具，根据产品给出一个螺钉的拧紧定义（如35Nm±20%），选择一个工具范围能够包含该螺钉的拧紧区间并往上偏差偏置，以便后面

工具时间久后能力衰减还能满足该工位的使用要求。

（二）工具验收

在新采购的工具在使用前，需提交给计量室或者更权威的检测机构进行测量，设备能力计算，CAM ≥1.33，工序能力指数CPK ≥1.1过程能力指数（CAP ）也必须计算合格。 生产设备能力指数（CAM ）

该指数用来衡量生产设备是否有能力获得其投资所预期的产品特性参数。

它定义为公差带IT 除以设备瞬间变差Di 的比值。

D i

IT

CAM =

设备性能指数（CMK ）

该指数用来评价设备性能，它反映了生产设备在短期内生产合格的产品特性参数的固有能力，即当过程变差被减少到最小程度的时候的设备能力。

??????--=2/,2/i i i S D T m D m T Min CMK

过程能力指数（CAP ）

该指数用来衡量生产过程所潜在的，在其分布均值没有发生中心偏离的情况下，是否有能力获得合格的产品特性参数。

它定义为公差带IT 除以生产过程的总体变差Dp 的比值。

D p IT CAP =

（三）工具的检查和监控：工具在检测合格后，必须由计量室标定力矩后并贴上合格标签，标定有效期。在工具的使用过程中需要每周2-3次对工具进行复测监控，每个班次对工具进行不定时的抽检。以保证打紧的力矩能够得到有效的保障。

2.环境因素：检查螺母和螺钉的螺纹是否完好，没有杂质；螺钉-螺母连接的零件接触面是否平整，没有可以通过触摸可以感觉出来的鼓包或者凹坑。打紧后接触的钢板不会发生塑性变形，以致造成假拧紧。

3.人为因素：必须对操作工进行有效且足够工具的操作培训，经过考核合格才能上岗，并在后期每月进行技能提升培训。工艺员或者督导工需要对线上工具使用进行抽查，对于实际的问题进行收集反馈，将问题收集后加入到作业指导书中，避免人为错误带来分析结果的错误。

4.零件因素：核实螺钉和螺母的配合是否正确，强度等级是否符合标准要求，螺钉和螺母所能承受的最大扭矩。一般设计要求打紧件的强度等级是小于或者等于被打紧件。以便滑丝容易更换。

图3 残余力矩监控过程

6 残余力矩监控的应用

1．在拧紧的工艺方法和产品定义中的应用。

可以在拧紧工艺中合适实施的拧紧力矩是否合格有效。以防止拧紧的定义或工艺不合适、工艺参数不合理、导致产生力矩衰减严重和压紧力过小造成的产品质量问题。对于需要做安全法规项的零件的拧紧，采用气动扳手首次打紧，再用转弯扳手进行二次打紧作为最终拧紧，来保证残余力矩达到最大值，原理和伺服电动扳手一致。并且需要对拧紧工具进行有效的监控，通过保证监控频次来保证气动和电动工具的力矩的稳定合格。

2．在整车质量检查的运用

在整车质量检查中，由于残余力矩的过小，导致连接的零件的位置变动，导致车门下坠等问题，影响到整车的质量。在整车中，对拧紧的残余力矩的抽查中，检查拧紧是否达到使用要求，当发现残余力矩过小和过大时，可以反馈到上游工艺核实拧紧过程中所出现的问题，并及时纠正，保证客户手中的产品都是合格的。

总结

对于残余力矩的监控，在工业化的汽车装配中十分有必要，在汽车装配线上，需要对拧紧工具进行监控，建立检查清单和检查标准，并保证有效的对工具的检查频次，在整车上也需要对拧紧进行不同级别的抽检，保证一定的检查频次，以保证残余力矩是有效合格的。

总的来说，只有有效的残余力矩的监控，才能打造优秀的车身结构，才能为优秀的汽车品牌保驾护航。

参考文献

【1】冯德富. 汽车装配的螺栓拧紧. 现代零部件 2009年12期：45-47。

【2】张明兴. 残余力矩的测量与应用. 汽车工艺与材料 2005年8期：13-17。