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        扭矩+轉(zhuǎn)角法擰緊質(zhì)量控制及優(yōu)化的探討

        2019-11-17 06:43:38莫達(dá)君潘子文李德鑫
        時代汽車 2019年20期
        關(guān)鍵詞:扭矩

        莫達(dá)君 潘子文 李德鑫

        摘 要:本文通過介紹扭矩+轉(zhuǎn)角法的優(yōu)缺點,針對缺點對擰緊軸電槍程序作出相應(yīng)監(jiān)控以及優(yōu)化。結(jié)合轎車副車架緊固點出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行歸納、原因分析并對問題優(yōu)化解決,進(jìn)而對副車架緊固點結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討,期望為新車型提供經(jīng)驗借鑒。

        關(guān)鍵詞:扭矩+轉(zhuǎn)角法;電槍程序;程序監(jiān)控;副車架

        1 前言

        在汽車的裝配過程中,螺栓連接是主要的裝配方式之一,用于許多底盤重要部件的連接,例如副車架、后橋、傳動軸、輪胎等零部件。一般常見的緊固控制方法有兩種:扭矩法和扭矩+轉(zhuǎn)角法。扭矩法是利用扭矩與預(yù)緊力的線性關(guān)系在彈性區(qū)進(jìn)行緊固控制的一種方法。但隨著汽車裝配質(zhì)量要求的不斷提高,扭矩法的缺點也越多的顯現(xiàn)出來;重要部件的緊固方法越來越多的使用扭矩+轉(zhuǎn)角法。

        隨著扭矩+轉(zhuǎn)角法的投入使用,一些擰緊質(zhì)量問題也隨之出現(xiàn),這需要我們在優(yōu)化電動擰緊工具的程序、提升緊固件的質(zhì)量甚至優(yōu)化重要零部件結(jié)構(gòu)等方面做努力。本文主要針對這些方面進(jìn)行研究探討。

        2 扭矩+轉(zhuǎn)角法介紹及影響因素

        扭矩法是通過擰緊工具設(shè)定到某個扭矩值來控制連接件的預(yù)緊力。一般地,90%的扭矩被摩擦力消耗,只有10%的扭矩轉(zhuǎn)化為夾緊力;但因扭矩系數(shù)波動較大,轉(zhuǎn)化成夾緊力的散差也比較大,夾緊力精度較低。研究表明,使用扭矩法緊固螺栓時,由于擰緊工具精度、摩擦性能的波動、螺栓強(qiáng)度波動等因素影響,一般軸向預(yù)緊力只有螺栓屈服強(qiáng)度的30%-70%,甚至更低。造成螺栓利用率低,可靠性差。

        扭矩+轉(zhuǎn)角法是先將螺栓緊固到門檻扭矩后繼續(xù)擰緊一個規(guī)定的角度,它可以使螺栓緊固至超彈性區(qū),實現(xiàn)對螺栓性能的充分利用。螺栓的摩擦因數(shù)只對門檻扭矩有影響,在轉(zhuǎn)角階段,預(yù)緊力與摩擦因數(shù)無關(guān)。為了獲取穩(wěn)定、可靠的預(yù)緊力,一般考慮三個階段的影響因素,曲線如圖1所示。

        3 影響因素分析

        針對緊固過程的三個階段出現(xiàn)的影響因素,收集曲線加以分析,并調(diào)查研究成因。

        3.1 緊固至轉(zhuǎn)角起點階段的影響因素

        粘滑是兩物體相對運動摩擦引起的自激共振現(xiàn)象,在擰緊過程中扭矩隨著角度的變化劇烈波動并產(chǎn)生螺栓“尖叫”。在扭矩從0擰緊至轉(zhuǎn)角起點過程中出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象,可能造成扭矩提前達(dá)到轉(zhuǎn)角起點,使得最終的夾緊力偏小,擰緊曲線如圖2。

        粘滑的主要成因:①過高的連接件表面粗糙度;②過高的摩擦系數(shù);③過高或者過低的擰緊速度;④過低的反力臂剛度;⑤緊固過程中產(chǎn)生高溫;⑥不連續(xù)的擰緊。

        3.2 轉(zhuǎn)角階段的影響因素

        粘滑擰緊在轉(zhuǎn)角階段也是影響因素之一,可能造成過程中扭矩超出報警扭矩上限值從而出現(xiàn)報錯,需更換新螺栓而影響生產(chǎn)。成因與在門檻扭矩以內(nèi)階段出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象類似。

        在轉(zhuǎn)角階段也出現(xiàn)擰緊過程中扭矩突降至0,出現(xiàn)空轉(zhuǎn),而后又繼續(xù)上升,擰緊曲線圖如下(圖3)。

        擰緊過程出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的原因:在緊固過程中擰緊軸電槍套筒脫出螺帽后又繼續(xù)緊固現(xiàn)象造成“脫帽空轉(zhuǎn)”,但最終扭矩在半徑扭矩范圍之內(nèi),由于轉(zhuǎn)角角度不足最終使得夾緊力偏小。為了避免“脫帽空轉(zhuǎn)”現(xiàn)象,可從兩方面改進(jìn):①電槍程序作扭矩下降的監(jiān)控,出現(xiàn)問題立即報警;②改進(jìn)擰緊軸電槍機(jī)械臂機(jī)構(gòu),增加緊固過程往上挺的機(jī)構(gòu)。

        除了“脫帽空轉(zhuǎn)”現(xiàn)象外,比較常見問題是轉(zhuǎn)角階段出現(xiàn)扭矩突降至某個值又突升值原來的扭矩曲線,形成倒尖角狀(如圖4),每個倒尖角角度為1°~5°不等。調(diào)查發(fā)現(xiàn)是連接件之間的間隙過多、過大引起的,例如某車型的副車架與車身大梁件的配合截面圖5所示,各部件間存在較多的間隙。

        避免扭矩曲線“倒尖角”現(xiàn)象出現(xiàn),可從兩方面改進(jìn):① 改進(jìn)連接件結(jié)構(gòu),減少部件間隙;② 電槍程序作扭矩下降的監(jiān)控,出現(xiàn)問題立即報警。

        3.3 超彈性區(qū)域的影響因素

        螺栓變形在屈服點上下的區(qū)域處于超彈性區(qū)域。在這個階段常見的問題擰緊曲線為隨著轉(zhuǎn)角的增加,扭矩下降但仍在報警扭矩范圍之內(nèi),如圖6。這是明顯的“過屈服”現(xiàn)象,故障車螺栓明顯出現(xiàn)滑牙甚至頸縮現(xiàn)象。

        調(diào)查分析問題的成因主要為,①螺母或者螺栓螺牙不合格、平牙;②螺栓/螺母機(jī)械性能不合格;③緊固時歪斜強(qiáng)打,無預(yù)緊。主要的解決方法為:①增加電槍程序監(jiān)控,識別報警并更換螺栓;②提高螺栓/螺母機(jī)械性能等。

        4 擰緊軸電槍程序優(yōu)化

        4.1 粘滑問題的電槍程序優(yōu)化

        一般地,消除粘滑現(xiàn)象可以通過優(yōu)化電槍程序來實現(xiàn),主要方法有:①降低擰緊速度;②降低步驟間的加速度;③在步驟間增加扭矩保持一定時間;④提高第一步的目標(biāo)力矩值;⑤變更擰緊順序;⑥防止在較高扭矩處重新擰緊;⑦防止太多的擰緊步驟;等等。

        4.2 “脫帽空轉(zhuǎn)”及“扭矩倒尖角”現(xiàn)象的電槍程序監(jiān)控

        在轉(zhuǎn)角階段,在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),監(jiān)控在轉(zhuǎn)角窗口中扭矩在設(shè)定范圍內(nèi),超出這個范圍,電槍自動報錯,如下圖7中的曲線所示。

        4.3 扭矩斜率的電槍程序監(jiān)控

        為了防止在超彈性區(qū)域中出現(xiàn)“過屈服”現(xiàn)象,一種方法是在電槍程序監(jiān)控轉(zhuǎn)角的最后階段對曲線進(jìn)行斜率監(jiān)控,在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),監(jiān)控扭矩增量與轉(zhuǎn)角增量的比例(即斜率)在設(shè)定范圍內(nèi),超出這個范圍,電槍自動報錯,如圖8的曲線所示。

        另一種方法是,監(jiān)控電槍的關(guān)斷扭矩與峰值扭矩(如圖1所示)的比例(r=Tshuftoff / Tpeak)在設(shè)定范圍內(nèi),超出這個范圍,電槍自動報錯。

        5 緊固部位的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        目前某車型的副車架緊固結(jié)構(gòu)中有多達(dá)6處部位可能存在間隙,緊固過程中夾緊力需要消除這些間隙。在緊固過程中,曲線會發(fā)生波動從而觸發(fā)部分電槍程序監(jiān)控設(shè)置,引起錯誤報警;若部分間隙未完全消除,在車輛使用后這部分間隙慢慢消除,從而使得殘余扭矩衰減。應(yīng)該從設(shè)計源頭上去優(yōu)化副車架緊固部位的結(jié)構(gòu),例如副車架內(nèi)部的鋼套可以貫穿副車架上下兩面,大梁鈑金增加厚度,減少加強(qiáng)板。例如以下圖9、圖10結(jié)構(gòu)設(shè)計。

        6 總結(jié)

        本文從副車架扭矩+轉(zhuǎn)角法各階段的常見問題及成因分析、電槍程序監(jiān)控和副車架緊固部位結(jié)構(gòu)三個方面對副車架扭矩+轉(zhuǎn)角法緊固優(yōu)化進(jìn)行了探討,總結(jié)出了扭矩+轉(zhuǎn)角法電槍程序設(shè)置的一些方法,為新車型采用扭矩+轉(zhuǎn)角法的擰緊質(zhì)量控制提供了借鑒和參考。

        參考文獻(xiàn):

        [1]朱正德、林湖.基于螺栓裝配技術(shù)中扭矩法與扭矩/轉(zhuǎn)角法比較與應(yīng)用研究,柴油機(jī)設(shè)計與制造,2005 NO.2.

        [2]李發(fā)喜、覃佳亮、覃雄臻、仝家鵬.某車型擺臂與副車架連接前點異響問題研究,中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2018 NO.12(下).

        [3]湯春球 張繼偉 莫易敏 覃雄臻 覃佳亮.扭矩+轉(zhuǎn)角法工藝與檢測方法,機(jī)械設(shè)計與研究,2018 NO.6.

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