王瑞重, 張康， 范秋珍

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心, 河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心, 河北保定 071000)

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底盤(pán)緊固件力矩衰減失效分析

王瑞重1，2, 張康1，2， 范秋珍1，2

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心, 河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心, 河北保定 071000)

汽車底盤(pán)絕大多數(shù)零部件由螺栓連接,在不同路況行駛,經(jīng)受橫向沖擊及軸向顛簸后,會(huì)出現(xiàn)不同程度力矩衰減、連接松動(dòng)、異響等失效,嚴(yán)重時(shí)影響行車安全。通過(guò)幾個(gè)典型的汽車底盤(pán)力矩衰減失效案例,分析其失效機(jī)制,并給出預(yù)防措施,為以后的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

底盤(pán)；緊固件；力矩衰減

0 引言

螺紋緊固件作為緊固連接常用的一類機(jī)械零部件，方便、快捷、成本低，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè),其品種多樣，有內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)、外螺紋結(jié)構(gòu)、全金屬自鎖、結(jié)構(gòu)自鎖等；功能迥異，主要起連接、緊固、密封等作用。文中主要對(duì)汽車底盤(pán)螺栓緊固件作用機(jī)制和典型衰減失效進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 緊固機(jī)制

螺栓緊固連接主要有普通螺栓連接和鉸制孔用螺栓連接，普通螺栓連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸方便，成本低廉，是目前應(yīng)用最廣泛的連接形式，汽車底盤(pán)大部分安裝螺栓采用此結(jié)構(gòu)；鉸制孔用螺栓連接可承受較大的橫向載荷，對(duì)安裝孔的精度要求比較高。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，螺栓的選用，必須充分評(píng)估被連接件的工作環(huán)境及受力情況，保證它為零部件在極限工況下工作提供足夠可靠的緊固連接。螺栓在使用過(guò)程中，都要提前施加擰緊力矩T進(jìn)行預(yù)緊，同時(shí)螺栓軸向產(chǎn)生預(yù)緊力Fp。擰緊力矩T主要克服螺紋結(jié)合面產(chǎn)生的摩擦阻力矩T1和螺栓環(huán)形端面與被連接工件接觸面間的摩擦阻力矩T2，即:

T=T1+T2

在工作過(guò)程中，若外力產(chǎn)生扭矩為M0，當(dāng)M0

2 螺栓緊固件力矩衰減的典型原因

一般情況下國(guó)內(nèi)主機(jī)廠底盤(pán)緊固件在車輛裝配完成后，會(huì)在緊固件和被聯(lián)接件間點(diǎn)漆確認(rèn)，以便后期確認(rèn)緊固狀態(tài)。車輛行駛一段時(shí)候后，裝配點(diǎn)漆標(biāo)記不變，檢測(cè)力矩在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，為聯(lián)接可靠；裝配點(diǎn)漆標(biāo)記不變，檢測(cè)螺栓力矩低于設(shè)計(jì)要求范圍下限，為衰減失效，也是文中重點(diǎn)論述的失效形式；裝配點(diǎn)漆標(biāo)記錯(cuò)位，檢測(cè)力矩低于設(shè)計(jì)要求范圍下限，為返松失效。個(gè)別情況某些公司為進(jìn)一步保證緊固件聯(lián)接的可靠性，裝配時(shí)額外對(duì)緊固件進(jìn)行預(yù)涂螺紋密封劑處理，此種情況會(huì)使裝配后的檢測(cè)力矩增大，甚至超出設(shè)計(jì)要求上限；另因螺紋密封劑化學(xué)性質(zhì)、人工涂抹量等客觀因素產(chǎn)生的不確定性影響，力矩增大幅度很難歸納總結(jié)，在此不做討論。

2.1 安裝面精度低

某車型售后反饋顛簸路及過(guò)減速帶行駛時(shí)，底盤(pán)前懸位置偶爾發(fā)出“當(dāng)當(dāng)”異響聲。維修排查前懸零部件狀態(tài)，未見(jiàn)明顯干涉、磕碰痕跡及結(jié)構(gòu)性損傷，各緊固件裝配點(diǎn)漆標(biāo)記未產(chǎn)生明顯錯(cuò)位。逐個(gè)檢測(cè)前懸緊固件力矩，發(fā)現(xiàn)前懸下控制臂小軸套安裝螺栓力矩存在衰減，檢測(cè)力矩值為143N·m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)力矩為210N·m，衰減幅度達(dá)32%。將力矩緊固至標(biāo)準(zhǔn)力矩后，多次路試，異響未復(fù)現(xiàn)，初步鎖定失效位置為控制臂小軸套安裝位。為確認(rèn)問(wèn)題真因，拆解下控制臂，檢查緊固件螺紋外觀正常，但小軸套安裝套管在控制臂安裝支架上留下了深淺不同的壓痕，上端比下端淺。此現(xiàn)象說(shuō)明在裝配緊固過(guò)程中控制臂軸套套管上、下端面與安裝支架接觸產(chǎn)生的壓力不同。用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x打點(diǎn)檢測(cè)安裝支架平面關(guān)系，存在2.06°的夾角，如圖1所示。

失效分析。控制臂軸套與支架為螺栓連接，正常樣本控制臂兩安裝面為平行關(guān)系，如圖2所示；而失效樣本安裝面如圖1所示存在約2°的夾角,在裝配過(guò)程中，擰緊螺栓扭矩在提供緊固軸向力的同時(shí)，還會(huì)損失一部分扭矩用以矯正上端面角度,使安裝面與控制臂套管接觸,此時(shí)安裝支架為彈性變形，相當(dāng)于螺接位置增加了彈性墊片。隨著車輛不斷使用,安裝位置反復(fù)經(jīng)受交變載荷,安裝支架逐步由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?安裝平面角度變小，彈性變形支撐作用減弱，造成力矩衰減。

圖1 失效樣本 圖2 正常樣本

整改對(duì)策：

(1)從失效分析可知，隨著車輛不斷使用，安裝面彈性變形最終會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，此時(shí)對(duì)安裝螺栓進(jìn)行二次緊固，可消除力矩衰減。由于二次緊固時(shí)間不確定，方案不可行，但可列到售后保養(yǎng)點(diǎn)檢項(xiàng)目中。

(2)由于存在制造公差，安裝面不可能完全平行，設(shè)計(jì)上增加平行度約束，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，可有效控制角度偏差。經(jīng)生產(chǎn)試裝驗(yàn)證，軸套安裝支架增加平行度0.7mm(如圖3所示)，可有效控制力矩衰減，滿足設(shè)計(jì)要求，方案可行。

2.2 摩擦因數(shù)選擇不當(dāng)

摩擦因數(shù)是螺栓結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，直接影響螺栓軸向預(yù)緊力的大小及力矩的保持性能。某車型前副車架與車身安裝螺栓最初設(shè)計(jì)狀態(tài)要求摩擦因數(shù)為0.1～0.16，螺栓規(guī)格為M14×1.5,性能等級(jí)為10.9級(jí)，設(shè)計(jì)力矩范圍為(210±20)N·m；下線后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)路試后檢測(cè)，裝配點(diǎn)漆標(biāo)記未動(dòng)，個(gè)別力矩值小于設(shè)計(jì)要求下限值190N·m，力矩存在衰減趨勢(shì)，如表1所示。

失效分析。排查副車架及車身安裝面平面度、Z向高度差及搭接面間隙，均在公差范圍內(nèi)；檢測(cè)螺栓性能等級(jí)、材質(zhì)心部硬度、墊片硬度、保載能力均滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)螺紋連接的摩擦防松機(jī)制，摩擦因數(shù)相對(duì)大的連接，隨著工作時(shí)間加長(zhǎng)，殘余預(yù)緊力所占預(yù)緊力的百分比相對(duì)較高。最終將螺栓摩擦因數(shù)由0.1～0.16調(diào)整至0.2～0.45，對(duì)比試裝驗(yàn)證，下線后檢測(cè)力矩值如表2所示，力矩均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

對(duì)比表1和表2的檢測(cè)數(shù)據(jù)，摩擦因數(shù)增大后，力矩衰減失效得到有效改善，摩擦因數(shù)越小，預(yù)緊后提供的螺栓軸向力越大，但不利于力矩的保持，力矩容易衰減；相反，摩擦因數(shù)越大，雖然不能提供較大的緊固軸向力，但更利于力矩的保持，力矩不容易衰減。故在后期設(shè)計(jì)中，要綜合考慮螺紋緊固件的用途，摩擦因數(shù)的確定亦要根據(jù)實(shí)際連接件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

表1 螺栓摩擦因數(shù)0.1～0.16時(shí)檢測(cè)力矩值

表2 螺栓摩擦因數(shù)0.2～0.45時(shí)檢測(cè)力矩值

2.3 被聯(lián)接件產(chǎn)生塑性變形

某車型整車耐久試驗(yàn)后，懸架控制臂與副車架聯(lián)接螺栓產(chǎn)生力矩衰減，拆解控制臂發(fā)現(xiàn)與裝配螺栓六角法蘭端面接觸的鋁合金底座出現(xiàn)輕微壓痕，如圖4所示，檢查螺紋結(jié)構(gòu)正常，且螺栓未被拉長(zhǎng)。

圖4 故障件外觀

失效機(jī)制。安裝底座為鋁合金材質(zhì)，牌號(hào)為6082-T6，材料屈服強(qiáng)度為260MPa，抗拉強(qiáng)度為310MPa。裝配位置出現(xiàn)壓痕，說(shuō)明材料已發(fā)生塑性變形，即安裝位置承受的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。失效位置貼應(yīng)變片，實(shí)車路試測(cè)量壓痕位置最大應(yīng)力為290MPa，遠(yuǎn)大于材料屈服強(qiáng)度。在整車耐久試驗(yàn)過(guò)程中，安裝位不斷承受交變載荷，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度時(shí)，底座產(chǎn)生塑性變形，聯(lián)接位置軸向力配合緊密程度降低，最終產(chǎn)生力矩衰減。

整改對(duì)策。針對(duì)此失效，初步對(duì)策兩種方案：(1)將安裝底座更改為屈服強(qiáng)度更高的材質(zhì)；(2)增大安裝位置的承載面積，即在安裝面間增加墊片或直接加大安裝螺栓的法蘭面面積。綜合成本及整改周期考慮，安裝面間增加墊片(見(jiàn)圖5)比較容易實(shí)現(xiàn)，且成本低。

原承壓面積為S0，螺栓法蘭面接觸內(nèi)徑為14.5mm，外徑為28.6mm，則：

圖5 增加墊片的整改措施

如圖5所示，在安裝結(jié)構(gòu)增加內(nèi)徑為14.5mm、外徑為32mm的墊片，墊片厚度為2mm，增加墊片后的承壓面積：

增加墊片后，壞路測(cè)試失效位置最大應(yīng)力減小至236MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，避免底座產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而消除力矩衰減。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)的發(fā)展，螺紋緊固件的使用越來(lái)越廣泛。為了保證螺紋緊固聯(lián)接的可靠性，需綜合考慮被連接件的工藝保證能力、材料特性、摩擦因數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及工作環(huán)境，另外力矩的選擇也要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校核計(jì)算。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，考慮的因素越多，后期產(chǎn)生的失效越少。

【1】吳宗澤,王序云,高志.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.

【2】胡遠(yuǎn)忠.螺栓摩擦系數(shù)對(duì)連接防松影響的有限元分析[J].機(jī)械工程師，2013(11)：74-75.

【3】姚貴生.汽車金屬材料應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2000.

MomentAttenuationFailureAnalysisforChassisBolt

WANGRuizhong1,2,ZHANGKang1,2,FANQiuzhen1,2

(1.Research&DevelopmentCenterofGreatWallMotorCompany，BaodingHebei071000,China;2.AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHebei，BaodingHebei071000,China)

Mostpartsofthevehiclechassisareconnectedbybolts.Drivingindifferentroadconditions,theboltissubjectedtolateralknockandaxialturbulence,therewillbevaryingdegreesofmomentattenuation,connectionloose,abnormalsoundandsoon,seriousimpactingontrafficsafety.Severaltypicalfailurecaseswereanalyzed,atthesametime,aneffectivesolutionwasgiven.Itprovidesreferenceforfuturedesign.

Chassis;Bolt;Momentattenuation

2015-11-23

王瑞重(1988—)，男，學(xué)士，助理工程師，主要從事懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。E-mail：sdjtwrz@163.com。

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