紧固件装配空间和边界设计需求及方法

一、紧固件装配空间需求
紧固件装配是通过专用的套筒或枪头在装配工具的驱动下,达到设计的扭矩值。在紧固件产品设计过程中,需要考虑到装配过程中要和周边零件留有一定的距离,不能和其它部位的零件产生干涉现象,并且易于生产现场装配工人操作。
对于图1所示的装配空间,表1列出了六角头紧固件常规规格紧固件推荐的边界尺寸。
对于图2所示的装配空间,表2列出了六角头紧固件常规规格紧固件推荐的边界尺寸。
二、紧固件装配边界设计需求
紧固件在设计时需考虑工具安装空间,不要出现下列几种情况:
1、紧固点位置在密闭空间内,操作人员无法看见,此类情况工具与紧固件较难定位,且紧固件掉落后不易取出。
2、紧固点上方有其它零件遮挡(轴向有干涉),可能在最终安装位置有较小空间,但需考虑紧固件长度,初始状态工具与上方其他零件干涉。
3、紧固件周边空间过小(径向有干涉),工具头部或者套筒与周边零件干涉,需要采取非正常方法打紧,如不垂直拧紧。
4、紧固件安装路进不是直线,需要通过万向节套筒等特殊套筒才能满足安装要求,由于特殊头套筒的结构原因会影响工具的精度。
5、紧固件需要螺栓螺母对拧的结构,尽可能设计防跟转结构,如内止外转等,双手操作降低人员效率,增加工时,如扭矩大于60 nm,不符合人机工程要求。
三、紧固件连接的装配方法
紧固件连接的装配方法有扭矩控制法、扭矩-转角控制法、屈服点控制法和伸长量法四种。
1、扭矩法
扭矩法是应用最广泛的一种控制方法,根据螺栓轴向预紧力与拧紧扭矩之间的基本关系,通过调整拧紧扭矩来实现对预紧力的控制,一般多用在弹性区,如图3所示。
图3 扭矩法
拧紧扭矩t与轴向预紧力f的关系为:
式中,t:拧紧扭矩,f:轴向预紧力,p:螺距,α:牙侧角,d2:螺纹中径,dw:支撑面等效摩擦直径,μs:螺纹摩擦系数,μw:支承面摩擦系数。
扭矩法装配时,由于受摩擦系数的影响,轴向预紧力波动大,且未能充分利用材料潜能,螺栓强度利用率低,但因其操作简单、成本低,且对于绝大多数螺纹联接有效,故仍是最常用的装配方法。
2、扭矩-转角法
扭矩-转角法是在拧紧时达到规定的起始扭矩后(即贴合扭矩),再转动螺纹件达到规定的角度。此种方法基于一定的角位移使螺栓产生轴向伸长,同时被联接件被压缩,使联接结构产生一定的预紧力[3,4]。转动的角度需事先通过计算或实验来获得。
图4转角与预紧力的关系图
常用的扭矩-转角法有两种,一种是将螺纹紧固件拧紧到弹性区范围,如图4a所示,转角与轴向预紧力的关系如下:
式中,θ:转角,f:轴向预紧力,p:螺距,c1:螺栓刚度,c2:被联接件刚度。螺栓的轴向预紧力与系统刚度有关。
另一种是螺纹联接件被拧紧到屈服点以上,即塑性区范围,如图4所示,此时轴向预紧力与螺栓的强度有关。
扭矩-转角法在拧紧过程中,摩擦系数对拧紧质量的影响小(仅影响达到贴合扭矩时的阶段,对角度控制阶段无影响),可得到比较高的预紧力,且预紧力的离散度小;拧紧到塑性区时,能充分利用螺栓的承载能力,挑出质量有问题的螺栓。但该种拧紧方法操作复杂,成本高,不适用于小转角的短螺栓;由于预紧力较大(尤其是拧紧到塑性区),对塑性差的螺栓及反复使用的场合,需考虑其适用性。
3、屈服点法
屈服点法,也称扭矩斜率法,是通过监测拧紧过程中扭矩随角度变化曲线的斜率,将螺纹件拧紧至屈服点的方法。在拧紧过程中,拧紧曲线从弹性区到塑性区,扭矩与角度的线性关系发生变化,斜率也发生变化。当斜率的变化达到某一范围,就认为是达到屈服点,如图5示。
图5 屈服点法
屈服点法的拧紧质量(预紧力离散度)只与螺栓的屈服强度有关,不受摩擦系数和转角起始点的影响,可提高装配精度;因将螺栓拧紧至其屈服点,可最大限度的发挥螺栓的能力。缺点是需使用具有运算功能的自动拧紧机,控制系统复杂,价格高,对螺栓的材料、结构和热处理要求很高,一般应用于要求比较高的装配部位。
4、 伸长量法
伸长量法,是用测微仪或超声波等手段,测量拧紧过程中或拧紧结束后螺栓的伸长长度,利用预紧力与螺栓长度变化量的关系,控制轴向预紧力的一种方法。
在弹性变形范围内,轴向预紧力与螺栓的受力横截面面积、伸长量和强度有关,即:式中:δb:伸长量,f:轴向预紧力,cb:螺栓刚度,le:螺栓有效长度,eb:螺栓弹性模量,ab:螺栓横截面面积。
螺栓的强度等级和尺寸确定后,预紧力仅与螺栓伸长量有关,可排除摩擦系数、接触变形、被联接件变形等可变因素的影响,因此可以获得最高的控制精度,被用作重要螺栓联接的预紧力控制方法。
但是测量装置(如测微仪、超声波等)在具体的联接结构上实施不方便,且影响生产节拍,所以在汽车行业上至今尚未广泛采用。在实验室条件下,伸长量法是用于校准、标定和实验开发不可少的手段。
螺纹联接的四种装配方法,各有优缺点,拧紧时要根据实际联接结构确定,要明确被联接件的要求、轴向预紧力的精度需求和控制方法的应用场合,通过实验和分析选择最合适的方法。


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