螺紋聯接是汽車零部件之間四種常用聯接方式（螺紋聯接、焊接、鉚接和粘膠聯接）之一，它具有精度高、裝配方便、零件拆裝方便等優點，目前汽車零部件裝配工藝的主要方式，也是標準化程度最高的機械零件。
螺紋聯接的失效是機器常發性故障之一，也是造成整機失效的重要原因，其裝配質量是決定汽車產品質量和性能的重要環節。
因此，如何正確地運用擰緊技術，合理控制裝配扭矩是各大OEM新車型開發過程中的重要工作。
一、 螺栓緊固的機理分析
1
扭矩控制的實質
螺紋聯接，特別是承受動載荷的重要螺紋聯接，其根本目的是要利用螺紋緊固件將被聯接件可靠地聯接在一起。裝配擰緊或者說裝配扭矩控制的實質，是要將螺栓的軸向預緊力控制在適當的范圍內。
螺栓插入被連接件，利用螺母或內螺紋擰緊使螺栓拉伸變形，這種彈性變形產生了軸向的拉力，將被夾零件擠壓在了一起，稱為預緊力。
理論上來講，軸向預緊力越大，其抗松動和抗疲勞性能越好，當預緊力達到或接近螺栓的屈服強度時效果最好。
2
預緊力與扭矩的關系
扭矩法是通過控制裝配擰緊扭矩的方法來間接地實施軸向預緊力的控制。螺栓的擰緊扭矩M和螺栓的軸向預緊力F之間存在如下的基本關系：
M=KDF
式中M—擰緊扭矩，K——扭矩系數，F=預緊力，D為螺紋公稱直徑。
在經驗設計中，扭矩系數K值一般取0.2，但實際上，K值不是一個常數，而是一個取決于螺紋精度等其他條件的變量。在一般批量裝配條件下，根據螺紋精度、材質、表面狀態及潤滑條件等不同，同一聯結的K值可以在0.1—0.5甚至更寬的范圍變化，通常，螺紋制造精度越高，表面處理及潤滑條件越穩定，則K值越穩定（散差?。?，反之，散差就大。
當考慮K值的散差后，為了達到預緊力的設計要求，螺栓擰緊扭矩的上下限可由下式決定：
Mu=KLDFU
ML=KUDFL
FU 、FL——設計要求的軸向預緊力上下限；
KU 、KL——具體工藝條件下K值上下限；
上式說明，在螺紋聯結的設計（螺紋直徑D和軸向力FU 、FL ）確定后，K值的散差越大，則裝配扭矩的控制越嚴（Mu-ML越?。?。同樣，在扭矩控制精度（Mu、ML）確定的情況下，K值的散差越大，則軸向力越分散，螺紋連接的可靠性越差。
3
預緊力與轉角的關系
擰緊過程中要轉動緊固件，預緊力與緊固件的轉角又是什么關系呢？
從螺紋的運動學和擰緊緊固件以及被聯結件的受力狀態分析可知，在擰螺栓或螺母時的開始階段，轉角不會產生預緊力，只有當連接件端面接觸到被連接件時才開始產生預緊力，且只有完全貼合時，F與θ才有線性關系，預緊力與轉角的基本關系如下式：
F=CPθ
（F—預緊力，C綜合剛度系數，P螺距，θ螺栓頭轉過的角度）。
4
扭矩與轉角的關系——扭矩與轉角的增量比
從裝配過程中的擰緊過程可知，當螺栓從旋入開始至接合面開始接觸，此時只要螺紋精度合格無磕碰傷，則旋入扭矩幾乎為0或很小。然后進入貼合階段，開始克服部分制造誤差和接觸面粗糙度，同時還要克服被夾緊零件的彈形變形和塑性變形。這一段區域的扭矩上升與轉角的變化是非線性關系，而且扭矩值的上升相當快。然后進入近似彈形變形階段，此時扭矩與轉角是一種線性關系，轉角的增加量即代表變形的增加量，與預緊力的變化成正比。當預緊力達到螺栓的屈服點時，由于螺栓開始進入塑性變形。此時只要很小的扭矩增量，螺栓就有較大的伸長，從而使轉角的增量變得很大。所以扭矩增量與轉角增量比值就大大減小了，這說明到了屈服點了。這個變化過程可以用如圖1的變化曲線來表示。
▲圖1 扭矩轉角關系曲線圖
▲圖2 扭矩轉角增量比關系曲線圖
在圖1中，轉角Φ1處即為貼合力矩M1，從這一點開始，按設定的轉角增量間隔測量扭矩增量，計算ΔM/ΔΦ值，在正常的彈形變形階段，基本上保持一個常量值C，如圖2所示。當擰緊至角度Φ2時，進入螺栓的屈服點，在相同轉角增量ΔΦ的情況下，力矩的增量大幅度降低為ΔM，當ΔM/ΔΦ降至C值的1/2~1/3時，即可認為螺栓預緊力達到螺栓的屈服極限，并立即停止擰緊過程。試驗表明，螺栓達到破壞斷裂時的總伸長量為屈服點時的伸長量的4~5倍，即還有一段相當長的塑性變形階段。因此，仍具有足夠的安全系數。理論研究和實踐都證明，螺栓（尤其是高強度螺栓）擰緊至屈服強度極限時，可以最大限度的發揮螺栓的潛能。
二、幾種典型的裝配扭矩控制方法
在裝配中一般采用五種比較典型裝配扭矩控制方法，它們是扭矩直接控制法、扭矩控制—轉角監控法、轉角控制—扭矩監控法、屈服點控制法、螺栓長度法。
1
扭矩直接控制法（T）
扭矩直接控制法是根據螺紋副的扭矩M 與螺栓軸向預緊力F之間的關系而在生產中發展起來，是應用最廣泛的一種扭矩控制方法。影響螺紋副裝配扭矩和螺栓軸向預緊力大小的主要因素就是螺紋副摩擦系數μs，根據ISO標準，當螺紋角α=60°時近似的認為螺紋副摩擦系數和螺紋支承面之間摩擦系數μn是基本相等的，即μs =μn 。根據計算公式，按照不同的摩擦系數和不同規格直徑的螺紋計算出裝配扭矩參照表，工藝人員根據參照下表選擇適當的裝配扭矩。
扭矩直接控制法一般采用手動、電動或氣動工具一次直接將螺紋副裝配扭矩裝配到位。裝配精度一般在30%左右。從目前的情況看擰緊工具最高能達到的控制精度為3~5%，比較經濟合理的控制精度為10~20%。
扭矩直接控制法在考慮扭矩控制的同時，還應該對擰緊工藝進行合理的選擇。常用的擰緊工藝包括對角漸次擰緊、分組擰緊、分步擰緊、多次擰緊以及其它一些特殊處理方法。
優點：
1. 工藝及工具簡單；
2. 成本低；
3. 螺栓可以重復使用。
缺點：
1. 軸向預緊力波動大；
2. 螺栓抗拉強度利用率低；
3. 擰緊結果受螺栓摩擦系數及螺 栓質量影響大。
2
扭矩控制—轉角監控法（TA）
扭矩控制-轉角監控法一般使用自動擰緊機控制。自動擰緊機工作程序為：首先將裝配扭矩設置在最終裝配扭矩的70%~80%的范圍內，自動擰緊機快速擰緊到這個設定值后，略停頓1~2秒后，擰緊機降低轉速，以很慢的轉速繼續旋緊，一直到達最終裝配扭矩值。在第二個動作開始工作時，開始記錄旋轉的角度，從而可以在達到裝配的同時檢查螺紋副質量的目的。這種方法與第一種裝配方法基本上是一致的，不同的是控制精度較高，而且能用轉角監控螺栓質量的好壞。如果轉角太大，顯然使用的螺紋副材料抗拉強度太低，或沒有經過熱處理；如果轉角太小，顯然使用的螺紋副材料抗拉強度太高，或熱處理后材料太硬。通過轉角監控，可以很方便的檢查出一批螺栓的質量情況，從而最大限度的提高螺紋副材料裝配質量。
監控的轉角的大小一般是通過實驗得出的，通過計算也可以得出一個近似數，但最后還是要通過實驗得出最終結果。因為旋轉角度的大小，實際上就是螺栓被拉伸和連接體受壓縮的長度總和。如果螺栓的螺距是1mm，假如轉角轉了90°，那么顯然螺栓被拉伸和連接體受壓縮的長度總和為0.25mm。
扭矩控制—轉角監控法一般用在裝配要求比較高的裝配部位，如汽車的底盤螺栓，變速箱與發動機連接、傳動軸連接等，裝配精度可控制在3~5%。
優點：
1. 準確控制預緊力；
2. 充分利用螺栓抗拉強度；
3. 能檢查出有問題螺栓。
缺點：
1. 擰緊工藝較復雜；
2. 擰緊設備成本高；
3. 摩擦系數對擰緊影響較大；
4. 螺栓基本不能重復使用。
3
轉角控制—扭矩監控法（AT）
扭矩控制的最大缺點就是受摩擦系數影響較大，而轉角控制的最大優點就是不受摩擦系數影響，所以一旦采用轉角控制以后螺栓軸向預緊力大小就幾乎不受摩擦系數影響，僅與螺栓的拉伸和構件受壓縮的長度總和有關，即轉角大小有關。
轉角控制-扭矩監控法首先必須使用扭矩法確定轉角控制的起始點。這個點一般是扭矩控制法最終裝配扭矩的20%左右，自動擰緊機快速擰緊到這個點后，略停頓1~2秒后，擰緊機改變轉速使轉速變慢，然后開始旋轉，并且開始計算角度，一直達到要求的角度為止，這個角度一般為90°左右，在計算轉角的同時記錄扭矩，如果扭矩太大，顯然螺栓材料抗拉強度太高或熱處理后材料太硬；如果扭矩太小，顯然螺栓材料抗拉強度太低或熱處理不好。從而達到監控螺紋副材料裝配質量的目的。
轉角控制-扭矩監控法主要應用在重要的裝配部位，如發動機缸蓋螺栓的連接、連桿螺栓，控制臂連接等影響行車安全的點位。
優點：
1. 軸向預緊力較大，且相對分散性較小，能精確控制螺栓的軸向伸長量；
2. 具有較好的抗疲勞性能，特別有利于帶軟墊的密封裝配；
3. 摩擦系數對擰緊影響??；
4. 能檢查出有問題螺栓。
缺點：
1. 工藝比較復雜，控制的工藝參數也需經過試驗確定；
2. 擰緊設備成本高，維護費用也較高；
3. 螺栓基本不能重復使用。
4
屈服點控制法（也稱斜率控制法或彈性極限法）
屈服點控制法就是利用螺紋材料的屈服點來控制螺紋副的裝配，在使用自動擰緊機控制裝配過程中，不但能測試螺紋副的裝配扭矩，而且在測試螺紋副扭矩的同時不斷地測試轉角，從而計算出扭矩與轉角的微分商Δ，計算微分商公式如下：ΔM/ΔΦ。當螺栓的材料達到屈服點以后，也就是說當擰緊力矩不再增加時，或增加的很慢，而轉角卻增加的很快時，等于微分商Δ趨向于0時，既發出控制信號，切斷電源，完成一個工作循環，從而達到控制裝配扭矩的目的。
用屈服點控制法擰緊的螺栓，可靠性高，抗疲勞性能和防松性能都好；同時屈服點控制法對螺栓的材料和熱處理要求較高，因此一般只用于對軸向預緊力或軸向伸長量要求特別嚴格，且可靠性要求特別高的螺紋連接，如發動機缸蓋螺栓的連接、連桿螺栓。
優點：
1. 不受扭矩控制法摩擦系數和轉角控制法的轉角起始點影響，從而克服了扭矩控制法和轉角控制法的缺點，提高了裝配精度；
2. 軸向預緊力大而集中，能準確控制螺栓的軸向伸長量，充分利用螺栓的抗拉強度；
3. 摩擦系數對擰緊影響??；
4. 能檢查出有問題螺栓。
缺點：
1. 擰緊工藝復雜，控制的工藝參數需經試驗確定；
2. 擰緊設備成本高，維護費用也較高；
3. 螺栓不能重復使用。
5
螺栓長度法（也稱伸長量控制法）
螺栓長度法就是在裝配過程中測量螺栓的伸長長度來控制螺栓的裝配扭矩，從而達到直接控制螺栓的軸向預緊力。采用測微儀直接測量擰緊過程中的螺栓伸長量，或用超聲波測長儀等高精度的動態測量儀測量螺栓的伸長長度（變形量），是測量控制預緊力的最準確的方法。這種方法不但能隨時測量螺栓的軸向受力情況，而且能測量螺栓是否達到屈服點。
其測量原理公式為F=K*ΔL （F為預緊力，K為螺栓的應力因子，ΔL螺栓的伸長量）。
優點：
預緊力的控制精度高，預緊力可以控制在±5%內；
缺點：
這些測量方法和測量裝置，在連續生產過程中無論在具體結構上和實施方法上都很困難，只能應用于實驗室，產品設計研究，工藝設計階段，航空安全要求高的情況，無法應用于大量生產。