汽车装配过程中拧紧力矩衰减的机理、因素及预防措施

紫莺 2021-03-18 15:47:47

在与智友交流中,讨论到如何确保拧紧力矩有效,今天分享一篇技术交流文章,也许能分析螺栓拧紧问题有帮助。本文作者还有魏晓霜张杰等。


1、前言


在汽车装配过程中,由于螺栓联接装配简单、拆卸方便、效率高、成本低,因此螺栓联接应用十分广泛,平均每辆汽车有3000~4000个螺栓需要拧紧。由于汽车的运动,螺栓连接在变载、冲击、振动下,或当温度变化大时,力矩可能会衰减,从而导致螺栓联接失效。连接螺栓的拧紧工作对保证汽车的质量和行驶的安全性至关重要,本文以某主机厂现生产所有车型为研究对象从拧紧力矩衰减的机理、力矩衰减因素、预防力矩衰减的措施三个方面来阐述如何保证螺栓连接的有效性。


2、螺栓衰减机理


由于螺栓连接特性的不同,有的连接力矩会出现衰减(既夹紧力出现衰减),这种衰减主要体现在软连接及偏向软连接的中性连接中。在软连接和中性连接中的材料在夹紧力作用下会发生微小的变形(如图1),从而导致保持的夹紧力下降,检测到的螺纹副之间静态力矩往往小于拧紧力矩,出现力矩衰减现象,在一定的条件下被拧紧的材料的变形随着时间的延迟逐渐趋于稳定,由于连接的工作条件不可避免地会存在冲击、振动、变载荷作用。在这些工况条件下,螺纹副之间的摩擦力会出现瞬时消失或减小;同时在高温或温度变化比较大的场合,材料会发生蠕变和应力松弛,也会使摩擦力减小。在多次作用下,就会造成连接的逐渐松脱[1]。


螺纹松动的本质:螺纹副之间产生了相对转动,也就是螺栓与螺母间出现了相对转动(内螺纹与外螺纹之间)。螺纹松动,力矩必衰减;力矩衰减,螺纹不一定松动。如衰减后的力矩值长期低于产品规定的拧紧力矩值下限,在长期的使用过程中就会有螺栓连接失效的风险,因此需采取有效的措施进行预防。

汽车装配过程中拧紧力矩衰减的机理、因素及预防措施

图1材料弹性松弛导致夹紧力衰减


3、力矩衰减的因素及形式


由图1可知工件材料发生微小的弹性松弛会导致力矩衰减,在研究了各种螺栓连接后表明下列情况下易产生弹性松弛,从而导致力矩衰减:


a工件贴合面的不平;


b工件上各固定点不在同一平面上;


c多个螺栓的拧紧顺序不正确;


d工件表面喷涂非金属材料;


e被连接的两工件之间有空腔;


f贴合面上有橡胶部件;


g被连接的零件之一是塑料件;


h拧紧的速度太快;


i环境温度变化大等。


通过经验总结,在实际生产的过程中共有以下种失效形式:螺孔过浅、螺栓/螺母未拧紧、错孔(滑丝)、连接失效和零件变形。


(1)螺孔过浅:随着角度的增加,拧紧力矩可以很快达到设定力矩,并且在力矩设定范围内,而拧紧角度会偏于下限(图2左上);


(2)螺栓/螺母未拧紧:随着角度的增加,力矩不能达到设定力矩,并且拧紧力矩和拧紧角度均为偏于下限(图2右上);


(3)错孔(滑丝):随着角度的增加,拧紧力矩值将高于力矩上限,拧紧角度均低于角度下限(图2右上);


(4)连接失效:随着角度的增加,拧紧力矩值将低于力矩下限,拧紧角度高于角度上限(图2右下);

汽车装配过程中拧紧力矩衰减的机理、因素及预防措施



(5)零件变形:随着角度的增加,力矩值可以到达设定力矩范围,但拧紧角度高会特别的离散、不均匀。


4、预防力矩衰减的措施


4.1产品措施


通过对现生产和售后维护过程中出现的力矩衰减案例进行分析,对衰减频率较高的连接位置描述,对影响力矩衰减的零件要素进行识别,提出零部件要素设计要求及技术条件,以方便产品设计师在开发新车型时,将相关设计要求和技术条件标识在图纸上。以某车型为例,底盘部分关键重要特性定义如下。

汽车装配过程中拧紧力矩衰减的机理、因素及预防措施

4.2工艺措施


针对不同原因引起的力矩衰减需要采取不同的防力矩衰减的工艺措施,目前可选择的防力矩衰减的措施有如下几种[2]:


a选用伺服拧紧机拧紧螺栓;设置合适的拧紧曲线,一些重要的底盘件采用力矩+角度的拧紧方法。


b涂螺纹防松胶;


c多次拧紧,减小接触面的形变,即保持预紧力;


d将软连接改为硬链接:即改善螺纹连接接触面的材料;


e对于软连接,如塑料件和金属材料件的连接,采用产品规定的上限力矩值进行第一次拧紧;


f对于非金属材料件与金属材料件之间的连接采用两步转速定扭拧紧工具,利用其二次转速较慢的特点,解决拧紧效率和拧紧质量的平衡问题;


g在总装的上工序(涂装和焊装),通过增加保护罩防护拧紧所需的螺纹孔和螺柱。


针对各个车型,在研究了其产品特点和力矩特性后采取了不同的预防力矩衰减的工艺措施,使用比较广泛的是选用伺服拧紧的力矩控制+角度监控法,此方法以最终拧紧力矩作为主要控制参数,以角度为辅助检测参数;设定目标力矩的40%作为计算角度的力矩起点,记录力矩起点至目标力矩之间螺栓的转动角度,当力矩达到目标值时,角度在预先设定的角度范围内视为合格,是一直可靠的拧紧保证方法。表2是某车型后桥分装线关键/重要力矩拧紧策略一览表。

汽车装配过程中拧紧力矩衰减的机理、因素及预防措施

表2某车型后桥分装线部分关键/重要力矩拧紧策略


安全带固定端


通过对安全带的安装结构进行了系统的分析(表4),发现安全带装配端采用的是钢纸垫片结构,红色为钢纸垫片,在螺栓打紧时该垫片产生挤压变形,是导致力矩衰减的主因。


汽车装配过程中拧紧力矩衰减的机理、因素及预防措施


通过原因分析,将后排两侧安全带上固定点钢纸锁止垫片(红色件)改为金属锁止垫片,更改后检测力矩范围44.1-64.7Nm,均在合格范围内。


5.2采用防跟转工装—连接左弹性支架和左中支架


某款车型在连接左弹性支架和左中支架的位置,在试制期间出现连接螺母力矩衰减的问题,即力矩没有可靠拧紧。


Ø连接方式:螺栓+螺母,在拧紧时需将螺栓头部固定,避免在拧紧螺母的过程中,螺栓跟踪一起转动;


Ø拧紧方式:使用手动扳手固定螺栓,使用气动工具预拧紧螺母,拧紧完成后使用力矩扳手进行二次校核。


通过对拧紧方式的分析,因最后拧紧阶段属于手动拧紧,数据无法存储,故无法完全确认是否是漏拧导致,最可能因素是由于手动防转不能完全有效地防止螺栓头的跟转,导致力矩的不可靠拧紧。


通过原因分析,将手动防跟转的方式更改为自动防跟转工装,由设备进行控制螺栓头部不跟转,同时可以记录和追溯拧紧力矩值,拧紧值均在定义范围之内。


7、结束语


一辆汽车的使用寿命要达十多年,而且其使用环境复杂,各部件承受着交变载荷,为保证螺栓连接的有效性,应根据其车型特点合理地设计产品的关键重要特性并制定装配工艺,选择正确的拧紧工具和拧紧方法,采取有效的预防力矩衰减的措施,尤其重要的是这些预防衰减的措施要经过路试验证,只有这样才能保证汽车的装配质量,满足客户的要求。


来源:胡昌华智造汽车

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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