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摘要：副车架与车身之间采用螺栓连接，在经各种复合路况后，由于受横向冲击及轴向力作用，连接标准件多少会出现不同层度的松动、扭矩衰减，严重时产生异响，影响客户使用。本文通过对标准件扭矩衰减的机理研究，提供有效的解决措施，为后续车型设计提供参考。
关键词：副车架；扭矩衰减；异响
1. 概述
副车架多采用螺栓与车身进行连接，其主要是利用内外螺纹旋合所构成的螺旋副的自锁特性形成连接关系，为确保螺纹连接的刚性、防松功能以及受拉螺栓的疲劳强度，往往会赋予连接螺栓一定的预紧力。但是随着使用时间的推移，经各种复合路况后连接螺栓均会有一定层度的扭矩衰减，严重时直接产生异响，引发客户抱怨，影响行车安全。本文主要针对某车型在研发过程中出现的标准件扭矩衰减问题，通过对标准件扭矩衰减的机理研究，提供有效的解决措施，最终将标准件扭矩衰减控制在合理范围内，提升整车系统可靠性。
2. 原因分析
依据紧固件相关资料研究、结合故障车实车情况，大致可以将副车架安装标准件扭矩衰减归结于以下几方面：
1）螺纹啮合长度不足；
2）副车架安装面精度差（表面凹凸、安装面处钣金间有间隙）；
3）配合螺纹管摩擦系数超标；
4）装配工艺选择不当。
3. 整改措施
3.1 螺纹啮合长度优化
设计之初副车架安装螺母考虑沿用，并未评估实际啮合长度要求，使用螺母有效啮合长度为19mm。
参考相关文献，对于紧固件螺纹的啮合长度要求如图1所示，依据副车架安装螺纹管材料剪切强度以及副车架安装时标准件性能等级要求（螺纹管材料：HC340LAD+Z；性能等级要求：10.9级），评估紧固件螺纹啮合长度不小于其公称直径的1.5倍，对于M14的坚固件即要求不小于21mm，考虑到安全系数以及兼顾周边件搭接尺寸需求，设计要求螺纹有效啮合长度≥25mm。
图1 需要的啮合相对长度
3.2 副车架安装面精度提升
考虑到副车架安装点刚度，副车架安装面位置不可避免涉及多层钣金搭接，受冲压件质量以及焊接变形的影响，副车架安装面焊点附近会出现型面扭曲以及钣金间间隙的问题。在装配过程中，拧紧螺栓扭矩在提供紧固轴向力的同时，还会损失一部分扭矩用于消除副车架安装面的型面变形以及间隙，从而使副车架与钣金之间做到零贴，此时可理解为螺接位置增加了弹性垫片。随着车辆的不断使用，安装位置反复经受交变载荷，安装面变形及间隙逐渐被矫正，由原有的弹性变形转化为塑性变形，从而导致扭矩衰减。
该问题可在设计阶段予以约束，尽可能降低问题出现的风险：（1）兼顾副车架安装尺寸以及调整量需求，对于钣金局部区域增加平面度要求，要求控制在0.3以内；（2）优化焊点布置，要求优化至副车架安装区域以外，避免焊接造成型面扭曲；（3）采用一体式螺纹管结构，规避螺纹管与加强板烧焊产生的型面变形。
3.3 螺纹管摩擦系数优化
摩擦系数为紧固件结构的重要参数，直接影响标准件轴向预紧力的大小及力矩的保持性能。随着摩擦系数的增加，标准件自身的轴向预紧力相应减小。同时摩擦系数的散差，决定了在一定的力矩下，螺栓紧固的预紧力的稳定性，因此有必要将对标准件摩擦系数加以管控。对标行业内其他主机厂（见图2），为保证装车效率，摩擦系数控制在0.12±0.03效果较好，超过0.2易发生“粘滑”效应。
图2 各主机厂关于摩擦系数控制范围
关于紧固件摩擦系数控制，除紧固件自身控制外（螺纹表面增加摩擦系数稳定剂、紧固件采用法兰头结构、控制涂层厚度等），同时需要尽可能降低内螺纹电泳液吸附产生的影响，以下分别就几种电泳漆保护方案进行横向对比，见表1。
表1 不同处理方案副车架安装螺纹管摩擦系数的影响
注：
（1）螺纹管顶端增加塑料堵塞，仅前两个螺牙有电泳漆厚度，实物测量深度约7mm，后面的螺牙电泳漆很薄无法检测电泳漆厚度；
（2）螺纹管内涂NyCote胶，白车身过电泳时，电泳漆不会吸附在Nycote胶表面上。
依据以上对比结果，可得结论：
（1）未经保护处理的副车架安装纹管，摩擦系数达到0.19左右，超出要求；
（2）顶端加塑料堵盖的副车架安装螺纹管，摩擦系数在0.15左右，处于可接受边界；但摩擦系数受电泳漆厚度影响；
（3）经Nycote处理的副车架安装螺纹管，摩擦系数在0.12~0.13之间，处于可接受区域内，基本无电泳漆厚影响，符合要求；
（4）若紧固件自身摩擦系数已管控，亦可以考虑增加防护螺栓做电泳保护，但是相应的需要在涂装电泳前增加高工位安装螺栓。由于工艺受限，本方案暂不归纳在本轮验证方案中。
综上对比，优选螺纹管内涂NyCote胶的方案。
3.4 装配工艺优化
装配拧紧的实质是通过紧固件的轴向预紧力将关联件连接在一起，因此轴向预紧力的可靠控制是保证装配质量的重要因素。
副车架连接位置原采用扭矩法进行管控，扭矩法是基于螺纹连接时，轴向压紧力F拧紧时与拧紧扭矩T成正比关系，可用公式T=K．F评估，K为扭矩系数，受紧固件摩擦系数、螺孔精度、焊渣、使用环境、使用温度等多个因素影响，因此无法做到轴向预紧力精确控制。
采用的新工艺（扭矩+转角法）则是先将螺栓拧到一个量化的扭矩（具体数值需经工艺验证后制定），从此点开始，拧规定转角的控制方法。这种方法是基于一定的转角，使螺栓产生一定的轴向伸长，紧密贴合配合面，用于克服表面凹凸不平等不均匀因素，而后通过转角法提供所需的轴向预紧力。在计算转角后，摩擦阻力对轴向预紧力的影响不复存在，因此比较于转角法可做到精准控制。
4. 总结
副车架多采用螺栓与车身进行连接，为保证螺纹紧固连接的可靠性，需从材料特性、结构设计、摩擦系数、使用环境、工艺保证等多个维度进行综合考虑。另螺纹啮合长度、扭矩选择等亦需要在设计之初严密计算，尽可能降低后续实车失效风险。
参考文献：
[1] 德国工程师协会螺栓连接委员会. VDI 2230高强度螺栓连接系统计算[S]. 2003-02
[2] 机械部机械标准化所. 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱：GB/T 3098.1-2010 [S] . 北京：中国标准出版社，2010.
论文作者:綦法富
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/20
标签：车架论文; 摩擦系数论文; 螺纹论文; 扭矩论文; 螺栓论文; 标准件论文; 紧固件论文; 《防护工程》2019年11期论文;