在整车质量检查过程中，静态力矩是检查螺栓拧紧质量的主要手段。
由于不同连接材料的力矩衰减规律不同，静态力矩与动态力矩存在偏差，简单按动态力矩控制范围进行静态力矩管理，可能会导致检测合格率偏低或引起生产管理成本增加。
放宽静态力矩要求，将导致生产一致性差，螺栓连接可靠性降低。为了控制螺栓拧紧质量和生产稳定性，需要对静态力矩控制范围进行定义。
01 螺栓连接分类
静态力矩与被连接件的材料密切相关，被连接件的刚度、硬度、表面状态会影响静态力矩测量结果。
根据连接性质螺栓连接可以分为三类：硬连接、软连接和中性连接。
硬连接，是指被连接件硬度大、刚性大、表面光滑且贴合度高。拧紧时，螺纹副达到贴合点后旋转30°以下就能达到目标力矩。软连接，是指被连接件自身材质较软或连接件中间夹有橡胶件等弹性材料。拧紧时，在螺纹副达到贴合点后需要继续旋转720°以上才能达到目标力矩。中性连接，是指介于软连接和硬连接之间的连接。02 动、静态力矩定义
动态力矩是紧固件在被紧固过程中测量得到的最大峰值。扳手和动力工具都可以施加动态力矩，动态力矩是在紧固的过程中测量的。
动态力矩所产生的轴向预紧力满足设计上对预紧力的要求。设计部门给出的设计力矩、产品图纸标注的图纸力矩、指导拧紧工具设定的工艺力矩，都属于动态力矩。
静态力矩是在紧固件被紧固好之后，将其在拧紧方向上继续旋转的瞬间所需要的力矩。
静态扭矩是用来监控生产过程的可靠性和稳定性,又称为检测扭矩。测量静态扭矩是验证动态过程是否发生变异,同时确保拧紧后连接件夹紧力的可靠性。
根据统计规律和汽车行业经验，静态力矩和动态力矩的关系如下：
对于硬连接，静态力矩大于动态力矩；对于软连接，静态力矩小于动态力矩；对于中性连接，静态力矩接近于动态力矩。03 确定静态力矩范围的方法
1、经验公式法
在没有采集测量数据初期,静态扭矩范围的初步确定可根据丰田汽车扭矩经验公式关系如图1所示：
图1 动、静态扭矩的关系图
a为动态扭矩的公差值;b为静态扭矩的公差值;c为测量误差值,其大小为动态扭矩目标值乘以测量误差。可以近似得出,a、b和c之间关系：a2+b2=c2。
考虑不同的连接性质、测量误差及测量器具精度,选取据表1中性连接测量偏差d=10%,测量误差e=±25%,则静态扭矩的目标值为T×(1+d)=94×(1+15%)=103.4≈103N·m,
静态扭矩的公差b==≈24N·m
静态扭矩的检测范围则为(103±24)N·m。
连接性质
测量偏差d
测量误差e
硬连接
0.15
0.20
中性连接
0.10
0.25
软连接
0.05
0.40
表1 连接性质与测量偏差和测量误差的关系
2 统计分析法
2.1 数据收集
在静态力矩数据收集前，需要对测量工具进行验证，通常先记录5次动态力矩数据与名义值进行比较，满足差值在5%以内才能开展静态力矩测量，数据收集完成后再次对测量工具进行验证，前后验证通过才能判断数据收集有效。
如某车型轮毂螺栓动态力矩为94±4Nm，在5min内通过数显扭力扳手采集30组,每组5个静态扭矩值,其数据如表2所示。
表2 螺栓静态扭矩检测值(N·m)
序号
螺栓1
螺栓2
螺栓3
螺栓4
螺栓5
1
103.2
107.5
105.7
99.2
101.5
2
109.1
117.3
110.5
115.5
96.8
3
105.4
103.6
111.2
98.4
109.1
4
107.6
109.1
116.8
118.0
113.0
5
98.5
110.8
109.6
107.3
115.5
6
107.2
109.7
114.3
119.8
102.8
7
113.6
112.3
109.2
108.3
101.7
8
110.7
111.5
108.5
110.1
119.2
9
98.5
100.8
109.6
107.3
113.5
10
97.2
109.7
114.3
119.8
102.8
11
113.6
112.3
109.2
108.3
101.7
12
110.7
111.5
108.5
104.1
119.2
13
114.8
108.2
107.3
98.5
105.8
14
108.1
102.1
111.3
101.3
101.4
15
104.7
116.8
105.1
104.6
103.1
16
109.6
115.2
103.4
111.3
109.8
17
110.3
104.1
96.6
119.2
107.1
18
102.1
103.6
110.2
97.9
108.3
19
108.4
96.9
103.8
117.5
112.1
20
115.0
120.3
112.3
109.1
101.7
21
110.5
108.1
109.3
110.2
99.5
22
106.4
119.2
105.4
108.6
112.9
23
112.8
106.5
95.2
109.1
103.8
24
109.5
110.3
104.7
116.3
109.1
25
102.9
118.7
106.2
104.5
112.5
26
103.8
109.2
107.9
96.1
116.7
27
102.8
117.4
115.4
105.2
108.5
28
105.5
107.3
102.7
112.3
106.1
29
108.9
118.7
106.2
100.5
112.5
30
101.3
101.3
105.4
111.2
106.1
2.2 数据分析和处理
根据同规格的螺栓1-5检测数据,运用统计分析方法，计算得出静态扭矩均值为：
根据3Sigma原则Ts=±3δ计算得出静态扭矩上限值为127.2N·m,下限值为89.22N·m,对上、下限均值取整,静态扭矩控制范围为89~127N·m,即(108±19)N·m。
2.3 结果有效性的判定
对于上述采集的静态扭矩数据,对其拧紧过程的稳定性进行SPC分析,标示静态扭矩中心线CL、上控制限UCL、下控制限LCL,绘制图2所示螺栓的Xbar-R图,根据SPC判异准则及表1中静态检测扭矩判定标准,可以看出,测量数据稳定受控,无异常。
图2 螺栓Xbar-R控制图
2.4 分析结果评价
静态力矩规格范围需满足两个条件才能释放，如不满足要求，应优化拧紧工艺或重新设定动态力矩。
1）静态力矩公差与静态力矩名义值的比值小于35%；2）动、静态力矩名义值的差值与动态力矩名义值的比值小于15%。根据计算：
条件1）19/108=19.5%＜35%，校核合格；条件2）（108-94）/94=14.8%＜15%，校核合格。故静态力矩规格范围符合释放要求。04 螺丝君的总结
紧固件拧紧扭矩是保证汽车装配质量最重要关键特性之一, 不同的连接件材料, 不同的拧紧顺序、拧紧速度、连接件材料硬度和表面摩擦因数, 直接影响扭矩衰减程度和静态扭矩稳定性。
今天，螺丝君给出了确定螺栓连接静态力矩控制范围的两种方法：经验公式法和统计分析法。
试生产阶段，没有测量数据或数据样本较少时，可以采用经验公式法初步确定静态力矩，经验公式法考虑了连接性质、测量偏差和测量误差，计算方便，能够给出静态力矩范围。
批量生产阶段，有一定测量数据后，推荐采用统计分析法，更加符合实际情况。
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