汽車用緊固件，包含各種散件緊固聯(lián)接成為整車的各種標準的和非標準的緊固元件，螺栓、螺釘?shù)冉柚菁y緊固聯(lián)接的是其主體。
據(jù)統(tǒng)計，一輛輕型車或轎車平均每車用緊固件約500種規(guī)格、50Kg、4000 件左右。以零件數(shù)量計算，緊固件件數(shù)占整車零件總數(shù)比例，遠超過其它任何一種零件，高達40%~55%的占比，緊固件費用占整車成本的2.5%。
整車以及總成的總裝過程，主要是應用緊固件聯(lián)接各種零部件的過程，在裝配線上的緊固連接工作量約占70%。
汽車行業(yè)23%的維修問題，是由緊固件松脫引起的，有12%的新車，存在緊固件松緊度不正確的問題，某些緊固件失效，導致車毀人亡的事例也時有所聞。所以，控制緊固件的裝配質量對控制汽車整車質量至關重要。
要保證汽車產品質量，必須加強對汽車生產過程的質量控制。質量控制是為了達到質量要求所采取的作業(yè)技術和活動。其目的在于為了監(jiān)視過程并排除質量環(huán)所有階段中導致不滿意的因素，以此來確保產品質量。過程監(jiān)控是產品質量控制的關鍵。
無論是零部件產品還是最終產品，它們的質量都可以用質量特性圍繞設計目標值波動的大小來描述。若波動越小則質量水平越高。當每個質量特性值都達到設計目標值，即波動為零，此時該產品的質量達到最高水平。
但實際上這是永遠不可能的。所以我們必須進行生產過程質量控制，最大限度地減少波動。
扭矩是螺紋緊固件裝配時用來管理、控制和檢測連接質量的參數(shù)，所以在裝配的過程中必須對螺紋連接的扭矩進行控制。
在國內大多數(shù)汽車裝配過程中，對扭矩的管理控制存在著依照經(jīng)驗控制，控制方法不正確，控制工具選型不符，沒有可靠的控制工藝和規(guī)范，沒有有效的監(jiān)測手段等問題，導致裝配質量無法保證，螺紋連接失效，影響整車質量，威脅消費者人身安全的現(xiàn)象。有效的控制方法，可靠地進行扭矩過程控制，確保螺紋緊固件的裝配質量,成為各主機廠的重要工作內容。
國內外主機廠對扭矩質量控制的現(xiàn)狀
日本緊固件研究協(xié)會在1990年制定了有關螺紋緊固問題的兩個標推，即:“ISB-1083螺紋緊固通則”和“ISB -1084螺紋零件緊固試驗方法”。并針對這兩個標準，印發(fā)了《螺紋緊固手冊》，闡述螺紋緊固方法的基本原理。
要保證螺紋緊固件的裝配質量，必須保證螺紋連接的剛性、緊密性、防松能力、以及螺栓疲勞強度。在裝配過程中，聯(lián)接螺栓必須被施加一個預緊力(扭矩)。所以如何控制扭矩便是如何控制螺栓裝配質量的重點。
我國，目前普遍采用的過程失效模式對扭矩失效原因的分析，一般僅是局限于含糊的員工操作失誤或者工具/設備故障，以至于不能制定有效的控制措施。
而現(xiàn)在廣泛使用的氣動扳手和扭矩扳手，并不能監(jiān)測螺紋緊固時的扭矩，只有高精度的電動擰緊設備才可以通過預設，對擰緊的過程進行控制。
緊固件扭矩控制工具
緊固工具是整個擰緊裝配過程中的執(zhí)行機構，可以分為手動工具和自動工具，自動工具又可以根據(jù)動力源的不同分為氣動和電動工具。手動工具多為常見的扭矩扳手。而在一些需要較高擰緊要求的場合，如汽車行業(yè)，自動工具的使用則非常廣泛。
目前，國內自動緊固工具還要大量依靠國外產品，其中，較為著名的品牌有法國的馬頭動力工具DESOUTTER,德國的Bosch,美國的Ingersoll Rand，日本的DDK等等;國內品牌包括大連德新、大連嘉禾等，也有院校和其他研究機構在緊固工具及其配套系統(tǒng)這方面的研究取得了一定成果，如合肥工業(yè)大學開發(fā)了很多集成了緊固工具的自動擰緊系統(tǒng)。相比而言，國外產品線更豐富，技術更成熟，精度控制更有保障。
以上提到的這些緊固工具，一般習慣上稱之為擰緊槍或擰緊軸，在下文中統(tǒng)稱為擰緊槍。
以電動擰緊槍為例，其自身結構主要包括動力源、減速箱、傳感器、加載頭、套,筒等，其中，套筒一般可更換，用于裝夾小范圍內不同尺寸的螺母和螺栓，擰緊頭的彈簧可以保證在擰緊過程中不需要借助其他進給運動即可將螺栓或螺母從松脫狀態(tài)緊固至擰緊狀態(tài)。
此外，還有實現(xiàn)擰緊控制的配套的PLC控制器、PC,安裝固定擰緊槍的夾持器或扭矩臂等。
擰緊槍基本結構
1--動力源，2--減速箱，3-傳感-器，4--前端部分，5--加載頭，6、7--壓縮彈簧，8--線纜槽。
主機廠緊固件扭矩質量的控制方法
目前，國內主機廠對螺紋緊固件扭矩控制方法主要有:扭矩控制法、轉角控制法、屈服點法、伸長量法四種。
以下，我們詳細介紹四種扭矩控制方法對緊固件連接質量的影響，并對比目前主機廠所使用的四種緊固件質量控制法中，那種最經(jīng)濟實惠，且相比可達到較好的效果。
3.1 扭矩控制法
扭矩控制法是最簡單的緊固控制方法，它通過直接控制施加在螺栓的扭矩來控制被連接件的預緊力，其原理在于擰緊時預緊力與擰緊扭矩成正比關系:
T=KxdxF0
其中，T--擰緊扭矩， k--扭矩系數(shù)， d--螺栓公稱直徑，F(xiàn)--預緊力。
該式直觀反映了扭矩控制的實質就是控制螺栓的軸向預緊力。扭矩控制法的優(yōu)點是成本低，可以使用簡易的扭矩扳手進行作業(yè)而無需其他復雜的設備與監(jiān)測。其缺點就是擰緊精度不夠，不能充分發(fā)揮材料潛力，受環(huán)境、操作手法等影響較大。
扭矩系數(shù)k的取值與許多因素有關，在實際操作中離散度較大，適用在一些要求不高的應用場合，總體而言k一般的取值范圍在0.1~0.3之間。早在1973年，美國懷特帕特森空軍基地就確定了一系列影響螺栓扭矩和預緊力之間關系的因素，
其中包括：螺栓的材質，螺栓的成型工藝，螺紋形狀，螺栓的同心性，螺紋連接副和墊圈的硬度，墊圈的類型和種類，部件的表面粗糙度，內螺紋邊緣的毛刺，螺栓鍍層的厚度、種類和一致性，螺栓的潤滑，螺栓的緊固工具，螺栓的擰緊速度，扭矩扳手和螺栓的配合度，螺栓的使用次數(shù)，環(huán)境溫度等。
扭矩控制，主要是依據(jù)具有相當精度的緊固工具和合理的工藝方法來保證。就目前狀況而言，扭矩控制法的扭矩控制精度最高能達到3%-5%的水平，而性價比較為合理的扭矩控制精度是10%~20%。
緊固件擰緊時所需扭矩，一般參考經(jīng)驗值，螺紋公稱直徑越大，強度等級越高，擰緊所需扭矩值越大。個別特殊類型的緊固件也有相關的國家標準和行業(yè)標準可供參考。
以下是某從事緊固工具公司提供的部分不同公稱直徑和強度等級F的推薦擰緊扭矩的技術資料:
普通螺栓擰緊推薦扭矩
3.2 扭矩-轉角控制法
鑒于扭矩擰緊法存在的不足，美國在20世紀40年代末開始研究能夠提高擰緊精度的控制方法，進而提出了扭矩-轉角控制法。扭矩轉角控制法是先將螺栓擰到一個不大的扭矩，再從此點開始，擰一個規(guī)定的轉角的控制方法。這一方法是基于一定的轉角，使螺栓產生一定的軸向伸長，同時被連接件則被壓縮了。
這樣做的目的是通過擰緊扭矩先將螺栓頭部或螺母擰到緊密接觸面上，克服表而凹凸不平等不均勻因素，而之后所需求的軸向預緊力由轉角產生。
利用轉角控制擰緊程度，摩擦阻力對預緊力的影響不復存在，所以其精度比單純的扭矩控制法要高。扭矩轉角控制法的要點就是確定轉角，一旦這個轉角被確定下來就可以在擰緊過程中獲得相當高的精度。
從螺紋的運動學來看，螺母轉動時螺母的位移量s:
s=pθ/360°
式中，P--螺距，θ--螺母轉角。
實際擰緊一個螺母時，在開始的幾轉期間，不會產生預緊力，只有當螺母接觸被連接件或墊圈后，預緊力才開始產生。
不過，由于此時各接觸表面接觸點很少或因被連接件與周圍構件間的摩擦力，以及墊圈彎曲等原因，預緊力很小，但其增長卻很迅速。這個過程稱為被連接件的貼緊過程。
貼緊過程期間螺母要轉多少圈無法預知，而且，即使在完全相同的情況下，螺母轉的圈數(shù)也可能不一樣。而當被連接件貼緊后，預緊力與轉角呈線性關系。
預緊力與轉角關系圖
扭矩-轉角控制法的優(yōu)點是擰緊精度高，擰緊質量穩(wěn)定，螺紋間摩擦系數(shù)對擰緊質量的影響小，故能充分利用螺栓的承載能力，從而獲得較大的預緊力；而缺點在于其控制系統(tǒng)比扭矩控制法要復雜，需要測量擰緊扭矩和轉角2個數(shù)據(jù)。
對于傳動軸、缸蓋螺栓此類要求預緊力充足且均勻的螺紋連接，應該越來越多地采用扭矩-轉角控制法的緊固工藝。
3.3 屈服點控制法
顧名思義，屈服點控制法就是利用緊固件材料的屈服點來控制緊固件的裝配。這種方法是在扭矩-轉角控制法基礎上發(fā)展起來的一種更精準的擰緊控制方法。
目前只有少數(shù)生產高端品牌的汽車發(fā)動機廠家在使用，這是因為這種方法所需要的設備成本太大。它是通過對扭矩~轉角曲線斜率的連續(xù)計算來判斷屈服點的。屈服點控制法的目標是將螺栓或螺母擰緊到剛剛超過屈服極限點，從而最大限度利用緊固件材料的性能。
采用屈服點擰緊時，首先將緊固件擰緊到某一個規(guī)定的起始扭矩M，從這點開始，設備監(jiān)控擰緊曲線的斜率值的變化，如果斜率下降超過了設定值，那么就可以認為緊固工具將緊固件拉伸到了屈服點，工具停止運行。
屈服點擰緊法最大的優(yōu)點是不受扭矩控制法的摩擦系數(shù)和轉角控制法的轉角起始點的影響，可以將摩擦系數(shù)不同的緊固件都擰緊到其屈服點，從而最大限度的發(fā)揮了緊固件材料強度的潛力，克服了扭矩控制法和轉角控制法的缺點，進一步提高了裝配精度;但是它對外界干擾因素比較敏感，同時對緊固件的性能及結構設計要求極高，控制難度較大，因此相應的緊固工具的價格也十分昂貴。
3.4 伸長量控制法
在緊固件達到屈服強度以前，螺栓的拉伸變形是彈性變形，其伸長量與預緊力的關系為：
δ=FL/EA
式中：δ--螺栓伸長量，F(xiàn)--預緊力，L--螺栓有效長度，A--螺栓的橫截面積，E--螺栓的彈性模量。
由上述關系式可見，預緊力與螺栓伸長量亦呈線性關系，與難以測量控制的摩擦系數(shù)及被連接件剛度無關。伸長量控制法就是在裝配過程中，通過測量螺栓的伸長量，控制螺栓的預緊力。
此方法控制的軸向預緊力能排除摩擦系數(shù)、接觸變形和被連接件變形等可變因素的影響，從而獲得很高的預緊力精度。
當前伸長量的測試手段中超聲波測試方法較為先進，通過聲程差及對環(huán)境的自動補償功能來進行伸長量的測試2231。但是，該測試方法作為擰緊控制依據(jù)，整體系統(tǒng)更為復雜，成本很高。因此這種擰緊控制方法應用范圍也沒有前兩種廣泛。
螺絲君總結
綜上，可以對上述介紹的的四種緊固控制方法進行簡單比較，其結果如下表所示。對比分析其優(yōu)劣可見，在精度和成本之間，扭矩-轉角控制法處于一個較好的平衡點。
四種緊固控制方法比較
因此，除了簡單直接成本低廉的扭矩控制法外，扭矩轉角控制法是剩下三種緊固控制方法中使用率最高的一種緊固工藝，隨著扭矩-轉角技術及相關設備愈發(fā)成熟，自動化要求愈來愈高，這種方法的適用程度仍有較大的提升空間。
如主機廠的底盤類產品的螺栓組緊固，扭矩控制法占到了近73%，而扭矩-轉角控制法只有21%左右。
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