螺栓连接、焊接、铆接和粘胶连接是汽车零部件之间主要的4种连接方式，而螺栓连接是汽车装配领域重要的一种连接方式，每辆车的紧固件约有400余种，3000余个，螺栓连接质量好坏直接影响整车装配质量。影响螺栓连接质量的因素很多，主要是连接件、被连接件、拧紧工具和拧紧方法几大因素。

一、螺栓连接理论基础

螺栓连接是通过对连接件（螺栓零件）施加拧紧力矩，使其受拉伸形变产生轴力实现被连接件之间夹紧的一种连接方式。乘用车螺栓连接在设计时是通过设计连接轴力来推算拧紧力矩的。一般情况下，连接轴力下限是由结构功能决定的，是满足连接件端面连接强度，保证被连接件在工作过程中可靠贴合，一般是通过受力分析得到理论需要的端面压力。连接轴力上限是保证被连接件和螺栓在工作过程中不发生脱扣、剪断和疲劳断裂等损坏，一般取被连接件破坏强度极限和连接螺栓零件屈服极限80%二者之间的小值，大多数情况取连接件屈服极限拉力75%~80%作为连接轴力上限。螺栓拧紧力矩与轴向力（预紧力）的关系公式：

T=T1 +T2=F0tan(φ+ρυ)d2/2+F0μ/3*(DW³-d0³)/(DW²-d0²)=KF0d(Ngmm)

式中：

T-拧紧力矩；

T1-螺栓副螺栓阻力矩；

T2-端面摩擦力力矩；

F0-预紧力（N）；

d-螺栓公称直径（mm）；

d0-螺栓外径（mm）；

d2-螺栓中径（mm）；

DW-与支撑面间螺母或垫圈直径；

φ-螺栓升角；

ρυ-螺栓当量摩擦角；

μ-螺栓与被连接件支撑面间的

摩擦系数；

K-拧紧力矩系数。

K=tan(φ + ρυ) d2/(2d) + μ/(3d)*(DW³-d0³)/(DW²-d0²)

（注：世界各国拧紧力矩系数均大同小异，由于拧紧力矩系数K 的确认均以试验数据为依据进行校正，故各不同公式的误差均可以校正。）轴向力正比于拧紧力矩，K 值取值比较复杂，普通粗牙螺栓取0.1~0.3之间。

二、常见拧紧问题分析

汽车螺栓的装配中常见拧紧质量问题主要有以下4种形式：

①装配过程中拧紧零件在规定的拧紧力矩下发生断裂失效；

②连接件在运行过程中出现松动、脱落；

③ 硬连接静态力矩检查力矩超差；

④ 软连接静态力矩检查力矩衰减。

（一）装配过程拧紧零件断裂分析

1.分析步骤

装配过程中拧紧零件断裂的原因为拧紧产生的轴力超过螺栓零件的极限拉伸载荷，出现这种问题分析从以下几个步骤入手：

第一步：拧紧结果准确性判断；

第二步：拧紧工具测量是否准确，测量精度是否满足产品设计要求；

第三步：产品设计力矩产生的轴力是否超出零件的极限拉伸载荷；

第四步：拧紧零件质量是否满足产品设计要求，主要对零件的拉伸强度、摩擦系数（端面摩擦系数、螺栓摩擦系数）、表面粗糙度、表面硬度进行检验；

第五步：拧紧工艺策略是否合理；

第六步：现场工况计算分析。

2.案例分析

案例说明：生产现场出现紧固点

螺栓断裂，出现频次为30%，为批量出现问题。

（1）现场情况收集

此点拧紧工艺力矩为90~110N·m，设定工艺目标值为100 N·m。紧固零件为M12螺栓，螺栓拉伸强度极限为1 050N/mm2。紧固工具为电动拧紧枪，其拧紧扭矩上限为150 N·m，拧紧枪设备精度为3%。拧紧方法设定为两步拧紧，第一步为以350r/min的速度加载至20 N·m；第二步为以30r/min的速度加载至100 N·m；拧紧结束。

（2）按步分析

第一步：拧紧结果检测，采用数显力矩扳手测量未断裂的拧紧点静态力矩10组以上。经检测，此点静态力矩在90 N·m~132 N·m 之间，静态力矩合格。

第二步：拧紧工具检验，采用精度为1%的动态力矩检测仪检验电动拧紧枪的输出精度，连续采集数据10组以上，验证检测仪所采集数据均处于电动拧紧枪工具目标值的3%以内。如果动态力矩检测仪的检测值超出97N·m~103N·m范围，需重新标定或者更换电动拧紧枪。

第三步：按照产品设计扭矩参数，反推设计扭矩产生的轴力上、下限，与零件拉伸强度极限进行比较：

1）根据产品设计的尺寸要求：

K=0.10718+0.753μ

此工况为钢对钢连接无润滑的前提下，其静摩擦系数为0.15，动摩擦系数为0.1，此处按照动摩擦系数进行换算。

K=0.10718+0.753*0.1=0.18248

在设计扭矩下产生的轴力为：

F0=T/Kd0=110 N·m /（0.18248*0.012m）=50233N

2）产品设计的极限拉力为：

F=[σ]*A=1050 N / mm²* 0.785*（122）mm²=118692N

产品设计的屈服拉力为极限拉力的75%~80%，为89 019N 以上；极限拉力高于设计扭矩下的轴力2倍以上，屈服拉力高于设计扭矩下的大轴力的1.5 倍以上，所以产品设计扭矩符合要求。

第四步：拧紧零件进行拉力试验，经测试螺栓极限拉伸强度在1 050N/mm2~1100 N/mm2，满足要求。

第五步：现场工况分析，现场发现，在断裂螺栓的被连接表面涂抹了防锈油，使得表面摩擦系数为有润滑状态的摩擦系数，动摩擦系数为0.05~0.1。也就是有润滑的工况下，K值为0.1，其轴力为：

F0=T/Kd0=110N·m/(0.1*0.012m)=91667N

轴力已经超出螺栓的屈服扭矩，如果静态力矩达到132N·m，紧固螺栓存在断裂风险。

（3）整改措施

被连接件安装之前擦拭表面，保证表面无油无水。

拧紧方法设定为三步拧紧，第一步为以350r/min 的速度加载至20 N·m；第二步为以20r/min的速度加载至100 N·m；第三步为保持100 N·m 扭矩1s。经过以上处理，故障消除，问题解决。

（二）连接件松动、脱落

1.连接松动原因说明

螺栓紧固过程中，被连接件压合表面随着连接螺栓力矩加大，从微观上观察被连接件压合表面凸起部位受压力逐渐被压平。

装配后连接件在运行过程中出现松动、脱落，其主要原因为螺栓零件拧紧产生的轴力无法满足连接件运行过程中的轴向冲击载荷，致使连接松动失效。

2.分析步骤

对于此类情况，一般按照以下4步分析：

第一步：拧紧工具故障排除。

拧紧工具在使用过程中，出现电流低或者机械故障，引起输出扭矩低于设定扭矩。对于此种失效模式，只要定期的监测和检定拧紧工具的输出扭矩准确性，即可避免此类问题。而且在生产过程中出现连接零件松动、脱落，应第一时间对拧紧工具进行检定，确保工具的准确性。

第二步：拧紧操作排除。

对于螺栓连接，应保证操作过程螺栓连接零件之间的垂直。此垂直包含两部分，一是螺栓与螺母（或其他螺栓件）轴线垂直；二是工具轴线与螺栓轴线垂直。如果紧固过程出现不垂直的情况，会引起拧紧“ 假力”。

具体案例：在生产过程中，对于长螺栓（长径比大于2.5）和螺母的连接，如果采取“螺母不动、紧固螺栓”的操作方式，易出现紧固过程螺栓与螺母不垂直，导致螺栓紧固力矩达到工艺要求，但是螺母复检的力矩远低于紧固力矩。对于这种工况，应该采取“螺栓不动、紧固螺母”的操作方式，减少配合段的长度，这样在复检螺栓和螺母时二者力矩都是合格的。

第三步：拧紧策略确认。

对于连接件松动和脱落的拧紧质量问题分析，如果排除了拧紧工具和拧紧操作的影响，就要从拧紧策略的制定上进行分析。一种原因为连接件与被连接件之间在紧固过程中有铁屑、焊渣等杂质，但是随着整车运行杂质震动脱落，连接力矩衰减。另一种原因为被连接零件紧固过程表面凸起部位压平，形成弹性反力并在零件内部产生内应力；但是随着时间的增加被连接零件的凸起部位逐渐磨平，被连接件之间出现空隙，引起连接件力矩衰减和松动，导致螺栓脱落。

对于以上的情况，可以采用合适的拧紧策略进行避免。以上面的案例为例进行说明，拧紧工艺力矩为90~110 N·m，设定工艺目标值为100 N·m，以前采用的拧紧方法为以350r/min的速度加载至20 N·m，再以30r/min的速度加载至100 N·m，拧紧结束。为了保证拧紧的质量，避免螺栓松动和脱落，可以采取如下的拧紧策略。一是确认连接件表面和被连接件表面的清洁，二是拧紧力矩至70 N·m（设定目标值的70%），三是反转90°（一般为30°以上），四是继续拧紧力矩至100 N·m，保持100 N·m 力矩1s，拧紧结束。这样可以保证拧紧质量的可靠性。

第四步：设计扭矩值确认。

运动过程的冲击载荷是设计部门通过软件模拟、路试分析、对标总结得出的结论。在生产过程中如果出现此类问题，只要对比其它车型产品的类似连接点，即可判断出此点的设计力矩合理性。

（三）硬连接静态力矩检查力矩超差

硬连接静态力矩超差主要体现在连接后的零件，采用静态力矩检测其力矩值超出拧紧力矩的检查范围，出现此类问题，一般按照以下两步分析：

第一步：工具故障排除。

电动拧紧工具、充电式拧紧工具在使用过程中可能出现电流（电压）高峰脉冲，气动拧紧工具在使用过程中可能出现气压异常或者机械故障，定值扭矩扳手在使用过程中可能出现机械故障，从而引起输出扭矩高于设定扭矩。对于此种失效模式，应第一时间通过生产现场完好的工具检定设备检查拧紧工具的扭矩，如果拧紧工具准确性无问题，应检查复检工具的准确性。

第二步：工具操作分析。

对于硬连接拧紧工具通常为电动拧紧工具、充电式拧紧工具、气动拧紧工具和定值扭矩扳手。电动工具、充电式拧紧工具、气动拧紧工具受人为操作引起扭矩超差可能性较小，主要是定值扭矩扳手受人为操作影响较大。

目前拧紧力矩的紧固大部分采用电动拧紧枪，静态力矩的复检采用数显或指针式扭矩扳手。定值扭矩扳手和数显（指针）式扭矩扳手在使用过程中，记录的数值一般为检测的峰值，并不是静态力矩值。所以，在定值扭矩扳手和数显（指针）式扭矩扳手使用过程中应遵循定值扭矩扳手手柄与校准仪连接轴线角度偏差≤ ±3°，定制力矩扳手校准过程旋转角度≤ 10°的操作原则。而我们现场的操作人员一般都会存在不同程度的“过冲”现象，引起扭矩超差。

（四）软连接静态力矩检查力矩衰减

1.原因分析

软连接静态力矩衰减主要体现在连接后零件采用静态力矩检测其力矩值低于拧紧力矩，出现此类问题的原因是由于软连接的零件特性决定的。

软连接在拧紧过程中和拧紧结束的很短一段时间内，其连接件上下端面之间的部位受压收缩，密度增加，内应力加大，并使得材料存在向外扩张的趋势。紧固稳定后，内部应力平衡，被连接件受压部分密度与未受压部位平衡，出现密度降低，内应力释放并平衡，连接轴力降低，扭矩出现衰减。

2.检查方法

对于软连接的拧紧力矩衰减在螺栓连接中是不可避免的，也是可以接受的。只要制定合理的拧紧方法和检查方法，软连接的拧紧质量是可以保证的。

拧紧方法：选择合适的拧紧工具，转速不宜过快（一般加载转速低于270r/min）；尽可能的在拧紧过程中增加一步“反转”和“扭矩保持”的动作，释放拧紧过程中产生的应力。

检查方法：选择质量稳定的零件和性能稳定的工具，按照SPC 理论采集足够的样本数量进行分析，统计出各连接点合理的复检范围，制定出合理的检查标准。

拧紧技术作为整车装配技术重要的一环，螺栓连接质量受生产中各种因素的影响，只有不断的深入现场，收集更多的数据进行分析，制定出合理的拧紧标准，才能够保证拧紧质量的可靠。