《汽車用螺紋連接的扭矩試驗及評價方法》

ICS32.020

T40

團體標準

T/CSAEXXX－2023

汽車用螺紋連接的扭矩試驗及評價方法

Torquetestandevaluationofthreadedconnectionfor

automobile

在提交反饋意見時，請將您知道的該標準所涉必要專利信息連同支持性文件一并附上

DraftingguidelinesforcommercialgradesstandardofChinese

medicinalmaterials

2023-XX-XX發(fā)布2023-XX-XX實施

中國汽車工程學會發(fā)布

T/CSAEXXX－2023

汽車用螺紋連接的扭矩試驗及評價方法

1范圍

本文件規(guī)定了汽車用螺紋緊固連接的扭矩試驗及評價方法，通過試驗原理、試驗方法、數(shù)據(jù)收集

與分析、失效模式的判斷，對連接副的扭矩適合性進行快速、簡單、可靠的驗證和反饋。

本文件適用于汽車產(chǎn)品中通過鋼制螺栓、螺釘、螺柱和螺母等緊固并采用扭矩法擰緊的連接副。

不適用于自攻螺釘、錐形螺紋堵塞、緊定螺釘及類似的不受拉力的螺紋緊固連接副。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文

件，僅該日期對應的版本適用于本文件；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改

單）適用于本文件。

GB/T16823.3緊固件扭矩-夾緊力試驗

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1

螺紋緊固件threadedfastener

通過螺紋嚙合方式產(chǎn)生夾緊力達成連接作用的一類機械零件，主要類別：螺栓、螺釘、螺柱。本

文簡稱緊固件。

3.2

被連接件clampedpart

指在特定連接結(jié)構中對應通孔的零件，如曲軸箱主軸承蓋或懸置支架等。

3.3

連接基座clampedbase

指在特定連接結(jié)構中對應內(nèi)螺紋孔的零件，如曲軸箱主軸承座、車身焊接螺母等。

3.4

連接副joints

由緊固件、被連接件、連接基座構成的總體。常見的螺紋連接副類型有：螺栓連接、螺釘連接、

螺柱與螺母連接，如圖1所示。

1

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a)螺栓連接b)螺釘連接c)螺柱與螺母連接

圖1常見的螺紋連接副

3.5

緊固扭矩（T）tighteningtorque

擰緊時，施加于螺栓、螺釘、螺母頭部的扭矩。

3.6

貼合扭矩（??）snugtorque

在擰緊過程中，連接副經(jīng)過初始擰緊階段的磨合，克服相互間隙及摩擦表面的不平整（毛刺、凸

起等）后，達到完全貼合狀態(tài)時的扭矩。通常為扭矩-角度曲線的線性段起始點的扭矩，如圖2所

示。

對于有防松結(jié)構的連接副，如螺紋變形、尼龍膠或非金屬嵌件等結(jié)構，要考慮克服防松結(jié)構摩擦

所需要的扭矩，貼合扭矩取扭矩-角度曲線從擰緊起始點至線性段起始點的最大扭矩。

圖2典型連接副擰緊特征曲線

3.7

屈服扭矩（??）yieldtorque

2

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所有零件完全貼合后，連接副發(fā)生塑性變形時的扭矩。通常為扭矩-角度曲線的彈性段與塑性段

相交的折點處的扭矩，如圖2所示。

3.8

極限扭矩（??）ultimatetorque

連接副擰緊至破壞過程中能達到的最大扭矩，如圖2所示。

3.9

標準差（?）standarddeviation

本文件特指連接副扭矩的標準差，??為貼合扭矩標準差，??為屈服扭矩標準差，??為極限扭矩標

準差。

3.10

推薦扭矩（??）recommendedtorque

根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，推薦在工程應用中連接副推薦使用的扭矩。

3.11

貼合擰緊階段snugtighteningstage

連接副從擰緊開始至擰緊至貼合扭矩的階段，如圖3所示。

圖3典型連接副擰緊過程特征曲線

3.12

彈性擰緊階段elastictighteningstage

連接副從貼合扭矩開始擰緊至屈服扭矩的階段，如圖3所示。

3

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3.13

塑性擰緊階段plastictighteningstage

連接副擰緊進入屈服，出現(xiàn)塑性變形的階段，如圖3所示。

3.14

粘滑現(xiàn)象stick-slip

緊固件擰緊過程中突然停止轉(zhuǎn)動(粘滯)，又緊接著繼續(xù)轉(zhuǎn)動(滑移)的現(xiàn)象，通常粘滯和滑移在短

時間內(nèi)重復多次，如圖4和圖5所示。

圖4粘滑現(xiàn)象發(fā)生在屈服點以前

圖5粘滑現(xiàn)象發(fā)生在屈服點后4

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4試驗原理

將某連接副擰緊至縮頸斷裂階段（或根據(jù)實際需求擰緊至某種程度）,在此過程中觀察連接副的變

化，實時采集扭矩、角度數(shù)據(jù)，據(jù)此分析單個連接副的貼合扭矩、屈服扭矩、極限扭矩等信息。在一定

樣本量的條件下，分析確定連接副的推薦扭矩，評價扭矩設計的合理性及潛在失效模式，并將結(jié)果用

于連接副的可靠、穩(wěn)健設計。

5試驗要求

5.1環(huán)境要求

除非另有協(xié)議，試驗應在在室溫下進行。而標準的試驗條件為10℃～35℃。

5.2設備要求

5.2.1試驗設備

試驗測試設備包含擰緊設備，動態(tài)數(shù)據(jù)記錄分析設備。擰緊設備通常應具備擰緊程序設置能力

（扭矩、角度、擰緊速度等），且能可控機動擰緊。動態(tài)數(shù)據(jù)記錄分析設備通常應具備扭矩、角度等

數(shù)據(jù)實時采集、擬合“扭矩-角度”的曲線功能，并能輔助分析曲線特征。

一般測量設備：游標卡尺、高度尺等。

除非另有規(guī)定，扭矩測量相對誤差應在±2%范圍內(nèi)。角度測量允許誤差為±2°或測量值的±2%

范圍內(nèi)（取二者中的較大值）。

5.2.2試驗夾具

試驗工裝夾具應能固定連接副，并能承受緊固軸力和支承面摩擦扭矩的復合載荷，而不應產(chǎn)生永

久變形和位移。

其余參照GB/T16823.3中規(guī)定的設備及工裝夾具要求。

5.3設備參數(shù)選用要求

基于緊固件規(guī)格，預設緊固扭矩，并選擇合適的擰緊設備和傳感器。為確保安全，通常應設置最

大擰緊扭矩及角度。

擰緊設備的強度應足以擰斷緊固件。傳感器應能準確記錄扭矩、角度和轉(zhuǎn)速。傳感器的工作范圍

應盡可能處于量程的20%～80%，不允許超過最大量程，且一般情況下不允許使用到量程的10%以下。

如果連接副在預設緊固扭矩下，不能擰緊至失效或擰緊結(jié)果不符合上述要求，則應根據(jù)以上要求

重新調(diào)整預設緊固扭矩及對應的設備及擰緊程序。

5.4轉(zhuǎn)速要求

擰緊試驗一般推薦采用單一轉(zhuǎn)速進行，轉(zhuǎn)速應盡量與生產(chǎn)或工藝預設的終擰緊轉(zhuǎn)速相同或相近。

如無特殊條件，轉(zhuǎn)速一般設置在10r/min～40r/min。

5.5樣本要求

5.5.1樣本狀態(tài)

5

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除非另有協(xié)議，試驗樣件應采用工程狀態(tài)，確保試驗樣件與實際使用狀態(tài)相比，無影響連接性能

的變化。當不能直接使用完整零件時，可以采用切割取樣或替代零件，但取樣或替代零件應能完全代

表設計和工程狀態(tài)（應具有相同材料、厚度、孔徑、表面粗糙度、表面處理和制造工藝等）。

5.5.2樣本數(shù)量

為保證數(shù)據(jù)的有效性，測試用的完整的連接副原則上要求準備12～15個，出于統(tǒng)計學意義，每組

試驗有效樣本量不少于12個。完整的連接副指構成連接副的所有零件，每次測試均需采用全新的零件。

測試所需的零件數(shù)量取決于測試的類型和復雜性，如有特殊要求，需雙方協(xié)商確定。

5.6安全要求

本文件有可能涉及危險物質(zhì)、操作和設備。本文件不可能將所有與使用相關的安全問題一一列

出。文件的使用者有責任制定適當?shù)陌踩徒】挡僮鬓k法，以及確定是否在使用本文件前做適當調(diào)

整。

6試驗程序

6.1安裝

按照設計結(jié)構組裝并固定裝夾連接副。將連接副預先擰緊至初步貼合狀態(tài)，即緊固件與被連接件

支承面剛好接觸，產(chǎn)生微量擠壓的狀態(tài)。測試對象為螺柱螺母時，螺柱擰入連接基座端不應轉(zhuǎn)動。

6.2擰緊

6.2.1擰緊要求

將連接副擰緊過極限扭矩，即擰緊至縮頸斷裂階段，通常當扭矩-角度曲線斜率開始下降時可停止。

對于部分特殊連接副，可根據(jù)應用需求由委托人與試驗人員共同確定擰緊方案。

6.2.2過程記錄

觀察試驗過程中連接副的狀態(tài)并記錄，例如墊圈跟轉(zhuǎn)、零件變形、支承面壓潰嵌入、防旋結(jié)構的破

壞等，參照附錄A確定連接副的失效模式。如不能通過觀察直接確定失效模式或存在爭議時，應添加輔

助判定試驗，如：測試試驗后內(nèi)螺紋孔的輪廓判斷內(nèi)螺紋是否變形；測試緊固件試驗前、后自由狀態(tài)的

長度，判斷是否有塑性變形等。

6.2.3特殊情況處置

擰緊過程中如發(fā)生粘滑現(xiàn)象，通?？梢酝ㄟ^改變連接副的共振來消除，例如改變連接副在臺鉗上

的裝夾方式、連接副組件的固定方式等。

7試驗分析

7.1試驗失效模式判斷

連接副擰緊試驗常見的失效模式可以分為三類：緊固件失效、被連接件失效、連接基座失效，具

體的失效模式如附錄A所示，典型失效曲線見圖6、圖7、圖8。

6

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圖6緊固件失效特征曲線

圖7被連接件失效特征曲線

7

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圖8連接基座失效特征曲線

7.2試驗數(shù)據(jù)分析

7.2.1貼合扭矩分析

根據(jù)扭矩-角度曲線變化特征從曲線中提取，記錄貼合扭矩數(shù)值??1、??2…???，并使用所有數(shù)

據(jù)，按公式（1）、公式（2）計算出均值???及標準差??。

?+?+??

?=?1?2??…………（1）

???

1

?=√∑?(???)2…………（2）

???=1????

7.2.2屈服扭矩分析

根據(jù)扭矩-角度曲線變化特征以及附錄B方法從曲線中拾取，記錄屈服扭矩數(shù)值??1、??2…???，。

并使用所有數(shù)據(jù)，按公式（3）、公式（4）計算出均值???及標準差??。

?+?+??

?=?1?2??…………（3）

???

1

?=√∑?(???)2…………（4）

???=1????

7.2.3極限扭矩分析

根據(jù)扭矩-角度曲線變化特征從曲線中提取，拾取擰緊曲線中極限扭矩值。記錄極限扭矩數(shù)值

??1、??2…???，并使用所有數(shù)據(jù)，按公式（5）、公式（6）計算出均值???及標準差??值。

?+?+??

?=?1?2??…………（5）

???

8

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1

?=√∑?(???)2…………（6）

???=1????

7.2.4數(shù)據(jù)散差的限值及處理

上述屈服扭矩和極限扭矩數(shù)據(jù)均應評估標準差與均值的比值，本測試建議在該比值不大于15%情

況下分析評估，如果數(shù)據(jù)充足情況下比值大于15%，則意味著數(shù)據(jù)偏差過大，測試的零件可能存在問

題，應將此結(jié)果反饋給試驗委托人，由其開展排查、評估及優(yōu)化。

7.2.5粘滑現(xiàn)象的處理

如果粘滑現(xiàn)象發(fā)生在屈服點以前（如圖4），并且通過改變連接副裝夾方式不能消除，則因不能

準確抓取屈服扭矩和極限扭矩而不能確定推薦扭矩。應將此結(jié)果反饋給試驗委托者，由其開展排查、

評估及優(yōu)化。

如果粘滑現(xiàn)象發(fā)生在屈服點以后（如圖5），如通過擰緊曲線可準確抓取屈服扭矩和極限扭矩，

則可根據(jù)7.2.1～7.2.3分析獲得相關數(shù)據(jù)。否則，應將此結(jié)果反饋給試驗委托者，由其開展排查、

評估及優(yōu)化。

8試驗評價

結(jié)合7.2.1-7.2.3計算出的數(shù)值，可按公式（7）計算得出推薦扭矩??：

1.1×(???+3??)≤??≤???[0.9×(????3??),0.85×(????3??)]……………

（7）

以上推薦扭矩是根據(jù)連接副本身的性能測試結(jié)果，并基于經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)給定的經(jīng)驗公式計算得

到的。

在實際應用中，通常應參考此結(jié)果，并結(jié)合具體連接需求，制定合理的緊固扭矩范圍，或評價現(xiàn)

行連接副設計的緊固扭矩是否合理。

建議緊固扭矩控制規(guī)范上限不能超過試驗推薦扭矩，如連接副設計的緊固扭矩超過推薦扭矩范

圍，則應及時將試驗結(jié)果和失效模式反饋給試驗委托人。由其結(jié)合實際應用進行風險評估，調(diào)整設計

的緊固扭矩或優(yōu)化連接副零件質(zhì)量等再重新進行試驗測試。

詳細案例解析見附錄C。

9試驗報告

試驗報告應注明試驗條件并記錄和輸出如下內(nèi)容：

a)緊固件零件號、批次號、性能等級、規(guī)格、摩擦系數(shù)和表面狀態(tài)（如表面處理鋅鋁涂層）；

b)被連接件零件號、承壓區(qū)域的材料牌號、尺寸（孔徑、厚度）和表面狀態(tài)（如電泳漆，無涂

層表面涂油等）；

c)連接基座零件號、內(nèi)螺紋孔材料、規(guī)格及尺寸（螺紋長度，沉孔或銷孔深度（如有））和表

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面狀態(tài)（如涂油等）；

d)試驗溫度；

e)法蘭接觸面外徑、內(nèi)徑；螺紋旋合長度；

f)擰緊轉(zhuǎn)速；

g)失效模式；

h)試驗曲線：扭矩-角度擰緊曲線；

i)試驗數(shù)據(jù)；

j)推薦扭矩；

k)其他未經(jīng)列出的內(nèi)容經(jīng)供需雙方協(xié)商后也可加入試驗報告中。

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附錄A

（資料性附錄）

失效模式

A.1連接副常見的失效模式見表A.1

表A.1連接副常見失效模式

序號連接副組件失效模式

桿部變形或斷裂

螺紋脫扣

頭下（倒角處）斷裂

1緊固件

頭部/接觸面變形/開裂

螺紋磨平（因尺寸公差限制）

光桿旋入內(nèi)螺紋中

內(nèi)螺紋孔滑牙/脫扣

2連接基座接觸面/孔的開裂

壓潰變形

壓潰變形

3被連接件

開裂/插入件（從組件中）剝離

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附錄B

（資料性附錄）

屈服點選擇方法

B.1選擇屈服點的方法

屈服點為扭矩-角度曲線上線性變化階段的結(jié)束點，彈性應變變?yōu)樗苄陨扉L的開始點。下面是幾

種抓取屈服點的方法。本附錄只是簡要說明常用的方法，不作任何限制或指定。

方法1切線法

切線法首先產(chǎn)生一條彈性區(qū)域的直線(與扭矩-轉(zhuǎn)角曲線彈性區(qū)直線重合)，然后生成一條斜率不

同(一般是第一條直線的25%～50%)的與扭矩-轉(zhuǎn)角曲線相切的直線，切點即屈服點。此方法演示見圖

B.1。

圖B.1切線法選取屈服點

方法2斜線距離法

斜線距離法首先畫一條通過扭矩-角度曲線直線段較低點和極限點的直線，然后軟件自動判斷出

扭矩-角度曲線上與這條直線距離最遠的點，這點即為屈服點。此方法見圖B.2。

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圖B.2斜線距離法選取屈服點

方法3斜率變化法

斜線變化法，首先取靠近彈性擰緊起始階段的某一點為起點。該點扭矩一般為極限扭矩的20%-

30%。從起點開始，每隔一定角度選取一個點，間隔角度一般選取1°-10°，且不應超過從起點到極

限扭矩點角度的十分之一，每兩點之間做一條直線，計算直線的斜率。當某兩點間斜率變化至起始兩

點斜率的30%-50%時，以拾取的最后一點為屈服點，此方法見圖B.3。

圖B.3斜率變化法選取屈服點13

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附錄C

（資料性附錄）

參考案例

C.1推薦扭矩案例解析

某螺栓連接副設計的緊固扭矩為10±1N·m，現(xiàn)需進行實物連接副擰緊扭矩試驗，判斷該緊固扭

矩是否合理，表C.1為連接副狀態(tài)及扭矩試驗過程中采集到的信息。

表C.1某連接副試驗狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息

某螺栓連接副扭矩試驗

連接副基礎信息

緊固件被連接件連接基座

規(guī)格與強度

材料表面處理材料表面處理材料表面處理

等級

M6，8.8級SWRCH35K鋅鋁涂層鋁合金無鑄鐵無

試驗信息

試驗溫度旋合長度擰緊轉(zhuǎn)速失效模式

25℃11mm10r/min螺栓桿部拉伸變形/斷裂

試驗數(shù)據(jù)

樣件標號貼合扭矩??/?·?屈服扭矩??/?·?極限扭矩??/?·?

1#3.0416.9719.75

2#2.6815.8517.84

3#2.8316.6419.02

4#3.1016.0519.53

5#3.3416.5818.14

6#2.6016.2617.79

7#2.9216.1518.13

8#2.3416.0918.10

9#2.8715.2317.67

10#3.3914.2718.33

11#