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发表于 2021-2-26 17:02:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
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乘用车悬架系统螺栓装配质量影响因素分析
王吉洋 李琨 裕莉莉 井琦 鲁飞 王昌林
(中国第一汽车股份有限公司研发总院,长春 130011)
摘要:从制件质量、装配方法、装配工具与装配分级3个方面针对乘用车悬架系统螺栓的装配质量进行了分析;从紧固系统夹紧力这一根本评价指标出发,结合具体开发项目,以实现螺纹紧固的一致性和可靠性为目标,详细研究了三者对于装配质量的影响,解决了设计过程中的多项紧固问题,推动了底盘高强度螺纹紧固连接设计的正向发展。
关键词:乘用车 悬架系统 装配质量 影响因素
1 前言

螺纹连接由于具有精度高、装配方便、拆卸简单、互换性好等优点,广泛应用于汽车领域。据统计一辆普通的乘用车上螺栓的平均用量大约为4 000个,其装配质量直接影响到整车的性能和使用寿命。

悬架系统是乘用车的重要总成之一,起到支撑汽车、缓和路面冲击和接受发动机动力等作用,目前多采用高强度螺纹紧固件进行连接,其连接的预紧力大小及其一致性对连接的可靠性和连接件的疲劳强度有至关重要的影响。通常前悬架主要由减振器、转向机、转向节和副车架等部件组成,这些部件都是轿车的最关键安全件,一旦失效会直接造成车毁人亡。前悬架中往往零件复杂布局紧凑,因此为满足装配空间和夹紧力的需求,要对紧固件进行准确精细的开发和设计。

保证螺纹连接的装配质量主要取决于以下几个因素。

a.通过计算确定连接结构所需的最小轴向力;

b.通过控制制件质量(包括螺栓质量与被连接件质量)确保装配后夹紧力的一致性;

c.选择合理的装配方法和装配工艺保证螺栓提供所需的轴向力;

d.通过适当的防松技术来保持螺栓所提供的轴向力。

本文主要探讨中间两个因素对悬架系统螺栓装配质量的影响。

2 紧固件质量对装配质量的影响分析

螺栓连接的拧紧过程其实质是克服紧固件与被连接件相互摩擦并产生所需夹紧力的过程,通常情况下,施加于紧固件(螺栓或螺母)的能量会被分解为3个部分,克服螺纹摩擦、克服支承面摩擦以及产生轴向夹紧力,3个部分的比例如图1所示,其中有80%~90%的扭矩因摩擦而损失,真正能够使螺栓产生轴向变形的扭矩只有不到20%[1],如图1所示。制件质量的优劣及一致性会对螺纹及支撑面的摩擦产生很大的影响,进而影响装配质量。

图1 拧紧过程中的扭矩分配示意

以某车型后悬架前束控制臂连接结构(图2)为例,其设定的目标夹紧力为50 kN。设计初期选用了标准件CQ39712T来实现连接。经试验发现,实测夹紧力无法达到设计目标值且有很大波动,通过加大扭矩的方式也无法达到目标值。

图2 某车型后悬架前束控制臂连接结构

为解决这一问题,对该处紧固件的摩擦系数和夹紧力进行分析。螺栓拧紧后获得的夹紧力Ff可通过公示(1)进行计算。


式中,T f为紧固扭矩,K为扭矩系数,d为螺纹公称直径,F f为预紧力。


式中,μS为螺纹摩擦系数,μW为支承面摩擦系数,d2为螺纹中径,d W为支承面摩擦扭矩的等效直径,d h为支承面摩擦扭矩的等效直径。

但在实际生产中,由于紧固件的制造精度(如模具尺寸的变化,热处理、表面处理工艺参数的波动等)不可避免地存在差异,且在运输过程中的磕碰伤等原因,导致其摩擦系数不可能为一个固定的值,而是存在一定的波动范围[2]。

图3所示为考虑摩擦系数波动后,规格为M12×1.25紧固件的夹紧力-紧固扭矩-机械性能-摩擦系数关系(以下简称F-T-σ-μ曲线)。从FT-σ-μ曲线中可知,对于相同机械性能等级的螺栓,即使以相同的紧固扭矩拧紧,由于摩擦系数的波动,导致实际的夹紧力也会有明显的差异;另外,随摩擦系数的增大,螺栓的屈服夹紧力明显降低(μ=0.20时的屈服夹紧力约为μ=0.10时的75%),螺栓的可利用率明显下降。

图3 M12×1.25紧固件的F-T-σ-μ曲线

对于本案例,当紧固扭矩从50N·m增加至90N·m时,夹紧力由约12 kN增大至约25 kN(图4),说明当前条件下紧固件的摩擦系数约为0.30~0.35;而当摩擦系数为0.08时,只需拧紧至70 N·m即可获得50 kN的夹紧力,满足设计要求。

图4 改进前后的紧固件及夹紧力

3 装配方法对装配质量的影响分析

螺纹连接的实质是将轴向预紧力控制在适当的范围,而不论是2个被连接体间的夹紧力还是螺纹上的轴向预紧力,在工作现场均很难直接检测,只能间接控制。扭矩、转角、变形伸长量等参数与预紧力存在一定的关系,通过控制这些参数来间接控制预紧力是螺纹拧紧技术的基本原理[3]。本文主要围绕3种典型的拧紧控制方法展开(表1)。

表1 3种典型的螺纹拧紧方法

以某车型控制臂与副车架连接系统为例,针对各种拧紧方法进行比较计算。连接系统结构如图5所示,目标预紧力为60 kN。

图5 某车型控制臂与副车架连接系统

3.1 扭矩法

扭矩法是根据螺栓轴向夹紧力与拧紧扭矩之间的基本关系,通过控制拧紧扭矩来实现对轴向力的控制。实际拧紧过程中,最小夹紧力通过最大摩擦和最小的扭矩来确定,最大夹紧力通过最小摩擦和最大的扭矩来确定,由此可以确定拧紧力矩的范围。计算结果见表2。

扭矩法适用于螺栓在弹性区域的拧紧,可反复使用。为确保螺栓在弹性区域工作,强度利用率较低。扭矩法产生的轴向力小且分散,会导致材料浪费,连接结构相对笨重且可靠性较差。通过表2中的计算结果可以看出,轴向预紧力的平均值为86.75 kN,但由于扭矩系数的范围较大,预紧力的离散度较大,如图6所示。在极限情况下,容易产生预紧力不足和过度拧紧的情况,存在风险。

表2 扭矩法拧紧参数计算结果

图6 扭矩与预紧力的关系示意

3.2 扭矩-转角法

如图7所示,从螺纹运动的几何关系来看,弹性区内,轴向力与转角呈线性关系,可通过对设备转动角度的监控实现对轴向预紧力的控制。计算结果见表3,拧紧过程中,在OB段进行扭矩控制,在初始的几转期间,螺母空转,不产生预紧力,如OA段所示。当螺母接触被联接件后,开始产生预紧力,随着各接触表面接触点的增多,预紧力增长越来越快,这个过程称为被连接件的贴紧过程,贴合力矩为70 N·m左右,轴向力达到(23.6~29.6)kN,如AB段所示。

被连接件贴紧后,继续转动螺母,预紧力与转角呈线性关系,螺栓按比例伸长,此时以转角作为控制变更,如BC段所示;当达到屈服点之后,同样的转角增量下,螺栓伸长量的增量增大,预紧力增量减小,与转角的关系由直线关系变为曲线关系,如CD段所示。

图7 紧固转角设置曲线

表3 扭矩转角法拧紧参数设计结果

扭矩-转角法比扭矩法的控制精度更高,预紧力的离散度更小。预紧力的离散主要由被连接系统贴紧过程的误差造成,贴紧后仅受设备对转角控制精度影响,如图8所示。

图8 扭矩法与扭矩-转角法的精度比较

3.3 屈服点法

屈服点法,又称扭矩斜率法,是以扭矩斜率值dTf/dθf的变化作为指标进行预紧力Ff的控制方法。通常,螺栓的屈服紧固轴力为初始预紧力的目标值,该方法一般在初始预紧力离散小且可最大限度地利用螺栓强度的情况下使用。该方法对初始预紧力的控制与塑性区的转角法相同,应用过程中需要对螺栓的屈服点进行严格控制。

根据GB/T 16823.2,在最大扭矩斜率的(1/2~1/3)范围内确定监控值。为减少对预紧力的影响,紧固扭矩及紧固转角的取点间距应小些。

图9 屈服点法控制曲线示意

4 装配工具与装配分级

螺栓提供所需的轴向力要通过装配来实现,因此会受到装配方法和装配工具的影响。

装配工具有电动拧紧机、扭矩扳手、气动工具等,它们的精度大不相同。国外汽车企业将使用不同精度的装配工具进行分级管理,即装配等级。结合集团公司的实际情况,目前已经根据装配工具对不同的拧紧方法进行了分级(表4),并对扭矩法不同等级的装配工具进行了说明(表5)。

图10为M20×1.5的六角法兰面螺栓(强度级别为10.9级,摩擦系数为0.12)装配等级与扭矩和轴向力的关系,由图可见,当采用FN4装配(装配工具精度±40%)所获得的最小轴向力较采用FN1装配(装配工具精度±5%)获得的轴向力下降了58%,由此可见装配等级(装配工具精度)对螺栓产生的轴向力影响很大,若不加以选择和控制,经常会导致连接中轴向力不足(未把紧);或轴向力过大而将螺栓直接拧断。

图10 装配等级与扭矩和轴向力(夹紧力)的关系

表4 装配质量等级说明

表5 扭矩法不同装配等级的说明

目前国内许多主机厂未对螺栓装配进行分级管理,因此出现的多起螺纹连接松动失效案例主因是所提供的轴向力不足,这种情况下采用任何防松技术都无效,需要通过提高螺栓质量和改善装配来解决问题。

5 结束语

主要从制件质量、装配方法、装配工具与装配分级3个环节,结合具体开发案例,由理论到实践来分析影响乘用车底盘悬架系统螺栓装配质量的若干因素。

从制件质量的角度,重要的工作是以客观试验为依据来优化相关参数,加强对被连接件与紧固件质量稳定性的控制,使最终夹紧力达到较高的一致性,即对于紧固件在弹性区域的应用,结合工艺参数设计减小实测轴向夹紧力的离散度,对于紧固件在塑性区域的应用,着力通过工艺参数将紧固件拧紧至屈服点。

从装配方法的角度,拧紧工艺绝对不可简单拷贝其他品牌,不同的拧紧方法之间也不具有直接的转换关系。应结合不同位置和需要慎重选择不同的拧紧方法,从而达到预期的夹紧力需求。

从拧紧设备与装配分级的角度,必须重视设备切换对拧紧结果的影响。随着对螺纹连接质量控制要求的不断提高,采用高级的拧紧设备对于控制轴向紧固力的分布有着非常重要的作用。



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