《汽车用螺纹连接的扭矩试验及评价方法》

ICS32.020

T40

团体标准

T/CSAEXXX－2023

汽车用螺纹连接的扭矩试验及评价方法

Torquetestandevaluationofthreadedconnectionfor

automobile

在提交反馈意见时，请将您知道的该标准所涉必要专利信息连同支持性文件一并附上

DraftingguidelinesforcommercialgradesstandardofChinese

medicinalmaterials

2023-XX-XX发布2023-XX-XX实施

中国汽车工程学会发布

T/CSAEXXX－2023

汽车用螺纹连接的扭矩试验及评价方法

1范围

本文件规定了汽车用螺纹紧固连接的扭矩试验及评价方法，通过试验原理、试验方法、数据收集

与分析、失效模式的判断，对连接副的扭矩适合性进行快速、简单、可靠的验证和反馈。

本文件适用于汽车产品中通过钢制螺栓、螺钉、螺柱和螺母等紧固并采用扭矩法拧紧的连接副。

不适用于自攻螺钉、锥形螺纹堵塞、紧定螺钉及类似的不受拉力的螺纹紧固连接副。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文

件，仅该日期对应的版本适用于本文件；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改

单）适用于本文件。

GB/T16823.3紧固件扭矩-夹紧力试验

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

螺纹紧固件threadedfastener

通过螺纹啮合方式产生夹紧力达成连接作用的一类机械零件，主要类别：螺栓、螺钉、螺柱。本

文简称紧固件。

3.2

被连接件clampedpart

指在特定连接结构中对应通孔的零件，如曲轴箱主轴承盖或悬置支架等。

3.3

连接基座clampedbase

指在特定连接结构中对应内螺纹孔的零件，如曲轴箱主轴承座、车身焊接螺母等。

3.4

连接副joints

由紧固件、被连接件、连接基座构成的总体。常见的螺纹连接副类型有：螺栓连接、螺钉连接、

螺柱与螺母连接，如图1所示。

1

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a)螺栓连接b)螺钉连接c)螺柱与螺母连接

图1常见的螺纹连接副

3.5

紧固扭矩（T）tighteningtorque

拧紧时，施加于螺栓、螺钉、螺母头部的扭矩。

3.6

贴合扭矩（푇푠）snugtorque

在拧紧过程中，连接副经过初始拧紧阶段的磨合，克服相互间隙及摩擦表面的不平整（毛刺、凸

起等）后，达到完全贴合状态时的扭矩。通常为扭矩-角度曲线的线性段起始点的扭矩，如图2所

示。

对于有防松结构的连接副，如螺纹变形、尼龙胶或非金属嵌件等结构，要考虑克服防松结构摩擦

所需要的扭矩，贴合扭矩取扭矩-角度曲线从拧紧起始点至线性段起始点的最大扭矩。

图2典型连接副拧紧特征曲线

3.7

屈服扭矩（푇푦）yieldtorque

2

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所有零件完全贴合后，连接副发生塑性变形时的扭矩。通常为扭矩-角度曲线的弹性段与塑性段

相交的折点处的扭矩，如图2所示。

3.8

极限扭矩（푇푢）ultimatetorque

连接副拧紧至破坏过程中能达到的最大扭矩，如图2所示。

3.9

标准差（휎）standarddeviation

本文件特指连接副扭矩的标准差，휎푠为贴合扭矩标准差，휎푦为屈服扭矩标准差，휎푢为极限扭矩标

准差。

3.10

推荐扭矩（푇푡）recommendedtorque

根据试验测试数据及分析结果，推荐在工程应用中连接副推荐使用的扭矩。

3.11

贴合拧紧阶段snugtighteningstage

连接副从拧紧开始至拧紧至贴合扭矩的阶段，如图3所示。

图3典型连接副拧紧过程特征曲线

3.12

弹性拧紧阶段elastictighteningstage

连接副从贴合扭矩开始拧紧至屈服扭矩的阶段，如图3所示。

3

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3.13

塑性拧紧阶段plastictighteningstage

连接副拧紧进入屈服，出现塑性变形的阶段，如图3所示。

3.14

粘滑现象stick-slip

紧固件拧紧过程中突然停止转动(粘滞)，又紧接着继续转动(滑移)的现象，通常粘滞和滑移在短

时间内重复多次，如图4和图5所示。

图4粘滑现象发生在屈服点以前

图5粘滑现象发生在屈服点后4

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4试验原理

将某连接副拧紧至缩颈断裂阶段（或根据实际需求拧紧至某种程度）,在此过程中观察连接副的变

化，实时采集扭矩、角度数据，据此分析单个连接副的贴合扭矩、屈服扭矩、极限扭矩等信息。在一定

样本量的条件下，分析确定连接副的推荐扭矩，评价扭矩设计的合理性及潜在失效模式，并将结果用

于连接副的可靠、稳健设计。

5试验要求

5.1环境要求

除非另有协议，试验应在在室温下进行。而标准的试验条件为10℃～35℃。

5.2设备要求

5.2.1试验设备

试验测试设备包含拧紧设备，动态数据记录分析设备。拧紧设备通常应具备拧紧程序设置能力

（扭矩、角度、拧紧速度等），且能可控机动拧紧。动态数据记录分析设备通常应具备扭矩、角度等

数据实时采集、拟合“扭矩-角度”的曲线功能，并能辅助分析曲线特征。

一般测量设备：游标卡尺、高度尺等。

除非另有规定，扭矩测量相对误差应在±2%范围内。角度测量允许误差为±2°或测量值的±2%

范围内（取二者中的较大值）。

5.2.2试验夹具

试验工装夹具应能固定连接副，并能承受紧固轴力和支承面摩擦扭矩的复合载荷，而不应产生永

久变形和位移。

其余参照GB/T16823.3中规定的设备及工装夹具要求。

5.3设备参数选用要求

基于紧固件规格，预设紧固扭矩，并选择合适的拧紧设备和传感器。为确保安全，通常应设置最

大拧紧扭矩及角度。

拧紧设备的强度应足以拧断紧固件。传感器应能准确记录扭矩、角度和转速。传感器的工作范围

应尽可能处于量程的20%～80%，不允许超过最大量程，且一般情况下不允许使用到量程的10%以下。

如果连接副在预设紧固扭矩下，不能拧紧至失效或拧紧结果不符合上述要求，则应根据以上要求

重新调整预设紧固扭矩及对应的设备及拧紧程序。

5.4转速要求

拧紧试验一般推荐采用单一转速进行，转速应尽量与生产或工艺预设的终拧紧转速相同或相近。

如无特殊条件，转速一般设置在10r/min～40r/min。

5.5样本要求

5.5.1样本状态

5

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除非另有协议，试验样件应采用工程状态，确保试验样件与实际使用状态相比，无影响连接性能

的变化。当不能直接使用完整零件时，可以采用切割取样或替代零件，但取样或替代零件应能完全代

表设计和工程状态（应具有相同材料、厚度、孔径、表面粗糙度、表面处理和制造工艺等）。

5.5.2样本数量

为保证数据的有效性，测试用的完整的连接副原则上要求准备12～15个，出于统计学意义，每组

试验有效样本量不少于12个。完整的连接副指构成连接副的所有零件，每次测试均需采用全新的零件。

测试所需的零件数量取决于测试的类型和复杂性，如有特殊要求，需双方协商确定。

5.6安全要求

本文件有可能涉及危险物质、操作和设备。本文件不可能将所有与使用相关的安全问题一一列

出。文件的使用者有责任制定适当的安全和健康操作办法，以及确定是否在使用本文件前做适当调

整。

6试验程序

6.1安装

按照设计结构组装并固定装夹连接副。将连接副预先拧紧至初步贴合状态，即紧固件与被连接件

支承面刚好接触，产生微量挤压的状态。测试对象为螺柱螺母时，螺柱拧入连接基座端不应转动。

6.2拧紧

6.2.1拧紧要求

将连接副拧紧过极限扭矩，即拧紧至缩颈断裂阶段，通常当扭矩-角度曲线斜率开始下降时可停止。

对于部分特殊连接副，可根据应用需求由委托人与试验人员共同确定拧紧方案。

6.2.2过程记录

观察试验过程中连接副的状态并记录，例如垫圈跟转、零件变形、支承面压溃嵌入、防旋结构的破

坏等，参照附录A确定连接副的失效模式。如不能通过观察直接确定失效模式或存在争议时，应添加辅

助判定试验，如：测试试验后内螺纹孔的轮廓判断内螺纹是否变形；测试紧固件试验前、后自由状态的

长度，判断是否有塑性变形等。

6.2.3特殊情况处置

拧紧过程中如发生粘滑现象，通常可以通过改变连接副的共振来消除，例如改变连接副在台钳上

的装夹方式、连接副组件的固定方式等。

7试验分析

7.1试验失效模式判断

连接副拧紧试验常见的失效模式可以分为三类：紧固件失效、被连接件失效、连接基座失效，具

体的失效模式如附录A所示，典型失效曲线见图6、图7、图8。

6

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图6紧固件失效特征曲线

图7被连接件失效特征曲线

7

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图8连接基座失效特征曲线

7.2试验数据分析

7.2.1贴合扭矩分析

根据扭矩-角度曲线变化特征从曲线中提取，记录贴合扭矩数值푇푠1、푇푠2…푇푠푛，并使用所有数

据，按公式（1）、公式（2）计算出均值푇푠퐴及标准差휎푠。

푇+푇+⋯푇

푇=푠1푠2푠푛…………（1）

푠퐴푛

1

휎=√∑푛(푇−푇)2…………（2）

푠푛푖=1푠푖푠퐴

7.2.2屈服扭矩分析

根据扭矩-角度曲线变化特征以及附录B方法从曲线中拾取，记录屈服扭矩数值푇푦1、푇푦2…푇푦푛，。

并使用所有数据，按公式（3）、公式（4）计算出均值푇푦퐴及标准差휎푦。

푇+푇+⋯푇

푇=푦1푦2푦푛…………（3）

푦퐴푛

1

휎=√∑푛(푇−푇)2…………（4）

푦푛푖=1푦푖푦퐴

7.2.3极限扭矩分析

根据扭矩-角度曲线变化特征从曲线中提取，拾取拧紧曲线中极限扭矩值。记录极限扭矩数值

푇푢1、푇푢2…푇푢푛，并使用所有数据，按公式（5）、公式（6）计算出均值푇푢퐴及标准差휎푢值。

푇+푇+⋯푇

푇=푢1푢2푢푛…………（5）

푢퐴푛

8

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1

휎=√∑푛(푇−푇)2…………（6）

푢푛푖=1푢푖푢퐴

7.2.4数据散差的限值及处理

上述屈服扭矩和极限扭矩数据均应评估标准差与均值的比值，本测试建议在该比值不大于15%情

况下分析评估，如果数据充足情况下比值大于15%，则意味着数据偏差过大，测试的零件可能存在问

题，应将此结果反馈给试验委托人，由其开展排查、评估及优化。

7.2.5粘滑现象的处理

如果粘滑现象发生在屈服点以前（如图4），并且通过改变连接副装夹方式不能消除，则因不能

准确抓取屈服扭矩和极限扭矩而不能确定推荐扭矩。应将此结果反馈给试验委托者，由其开展排查、

评估及优化。

如果粘滑现象发生在屈服点以后（如图5），如通过拧紧曲线可准确抓取屈服扭矩和极限扭矩，

则可根据7.2.1～7.2.3分析获得相关数据。否则，应将此结果反馈给试验委托者，由其开展排查、

评估及优化。

8试验评价

结合7.2.1-7.2.3计算出的数值，可按公式（7）计算得出推荐扭矩푇푡：

1.1×(푇푠퐴+3휎푠)≤푇푡≤푀퐼푁[0.9×(푇푦퐴−3휎푦),0.85×(푇푢퐴−3휎푢)]……………

（7）

以上推荐扭矩是根据连接副本身的性能测试结果，并基于经验和历史数据给定的经验公式计算得

到的。

在实际应用中，通常应参考此结果，并结合具体连接需求，制定合理的紧固扭矩范围，或评价现

行连接副设计的紧固扭矩是否合理。

建议紧固扭矩控制规范上限不能超过试验推荐扭矩，如连接副设计的紧固扭矩超过推荐扭矩范

围，则应及时将试验结果和失效模式反馈给试验委托人。由其结合实际应用进行风险评估，调整设计

的紧固扭矩或优化连接副零件质量等再重新进行试验测试。

详细案例解析见附录C。

9试验报告

试验报告应注明试验条件并记录和输出如下内容：

a)紧固件零件号、批次号、性能等级、规格、摩擦系数和表面状态（如表面处理锌铝涂层）；

b)被连接件零件号、承压区域的材料牌号、尺寸（孔径、厚度）和表面状态（如电泳漆，无涂

层表面涂油等）；

c)连接基座零件号、内螺纹孔材料、规格及尺寸（螺纹长度，沉孔或销孔深度（如有））和表

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面状态（如涂油等）；

d)试验温度；

e)法兰接触面外径、内径；螺纹旋合长度；

f)拧紧转速；

g)失效模式；

h)试验曲线：扭矩-角度拧紧曲线；

i)试验数据；

j)推荐扭矩；

k)其他未经列出的内容经供需双方协商后也可加入试验报告中。

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附录A

（资料性附录）

失效模式

A.1连接副常见的失效模式见表A.1

表A.1连接副常见失效模式

序号连接副组件失效模式

杆部变形或断裂

螺纹脱扣

头下（倒角处）断裂

1紧固件

头部/接触面变形/开裂

螺纹磨平（因尺寸公差限制）

光杆旋入内螺纹中

内螺纹孔滑牙/脱扣

2连接基座接触面/孔的开裂

压溃变形

压溃变形

3被连接件

开裂/插入件（从组件中）剥离

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附录B

（资料性附录）

屈服点选择方法

B.1选择屈服点的方法

屈服点为扭矩-角度曲线上线性变化阶段的结束点，弹性应变变为塑性伸长的开始点。下面是几

种抓取屈服点的方法。本附录只是简要说明常用的方法，不作任何限制或指定。

方法1切线法

切线法首先产生一条弹性区域的直线(与扭矩-转角曲线弹性区直线重合)，然后生成一条斜率不

同(一般是第一条直线的25%～50%)的与扭矩-转角曲线相切的直线，切点即屈服点。此方法演示见图

B.1。

图B.1切线法选取屈服点

方法2斜线距离法

斜线距离法首先画一条通过扭矩-角度曲线直线段较低点和极限点的直线，然后软件自动判断出

扭矩-角度曲线上与这条直线距离最远的点，这点即为屈服点。此方法见图B.2。

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图B.2斜线距离法选取屈服点

方法3斜率变化法

斜线变化法，首先取靠近弹性拧紧起始阶段的某一点为起点。该点扭矩一般为极限扭矩的20%-

30%。从起点开始，每隔一定角度选取一个点，间隔角度一般选取1°-10°，且不应超过从起点到极

限扭矩点角度的十分之一，每两点之间做一条直线，计算直线的斜率。当某两点间斜率变化至起始两

点斜率的30%-50%时，以拾取的最后一点为屈服点，此方法见图B.3。

图B.3斜率变化法选取屈服点13

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附录C

（资料性附录）

参考案例

C.1推荐扭矩案例解析

某螺栓连接副设计的紧固扭矩为10±1N·m，现需进行实物连接副拧紧扭矩试验，判断该紧固扭

矩是否合理，表C.1为连接副状态及扭矩试验过程中采集到的信息。

表C.1某连接副试验状态及数据信息

某螺栓连接副扭矩试验

连接副基础信息

紧固件被连接件连接基座

规格与强度

材料表面处理材料表面处理材料表面处理

等级

M6，8.8级SWRCH35K锌铝涂层铝合金无铸铁无

试验信息

试验温度旋合长度拧紧转速失效模式

25℃11mm10r/min螺栓杆部拉伸变形/断裂

试验数据

样件标号贴合扭矩푇푠/푁·푚屈服扭矩푇푦/푁·푚极限扭矩푇푢/푁·푚

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#