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底盘紧固件力矩衰减失效具体分析有哪些

发布时间:2019-02-28 20:39:22

来源:易紧通紧固件

作者:张雨

       汽车底盘绝大多数零部件由螺栓连接,在不同路况行驶,经受横向冲击及轴向颠簸后,会出现不同程度力矩衰减、连接松动、异响等失效,严重时影响行车安全。通过几个典型的汽车底盘力矩衰减失效案例,分析其失效机制,并给出预防措施,为以后的设计提供参考和借鉴。

  引言

  螺纹紧固件作为紧固连接常用的一类机械零部件,方便、快捷、成本低,被广泛应用于各个行业,其品种多样,有内螺纹结构、外螺纹结构、全金属自锁、结构自锁等; 功能迥异,主要起连接、紧固、密封等作用。文中主要对汽车底盘螺栓紧固件作用机制和典型衰减失效进行详细介绍。

  1.紧固机制

  螺栓紧固连接主要有普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接,普通螺栓连接结构简单,拆卸方便,成本低廉,是目前应用最广泛的连接形式,汽车底盘大部分安装螺栓采用此结构; 铰制孔用螺栓连接可承受较大的横向载荷,对安装孔的精度要求比较高。在实际工业生产中,螺栓的选用,必须充分评估被连接件的工作环境及受力情况,保证它为零部件在极限工况下工作提供足够可靠的紧固连接。螺栓在使用过程中,都要提前施加拧紧力矩 T 进行预紧,同时螺栓轴向产生预紧力 F p 。拧紧力矩T 主要克服螺纹结合面产生的摩擦阻力矩 T 1 和螺栓环形端面与被连接工件接触面间的摩擦阻力矩 T 2 ,即:

  T = T 1 + T 2

  在工作过程中,若外力产生扭矩为 M 0 ,当 M 0 < T 时,紧固位置合力矩 ∑ M = 0,连接稳定可靠; 当 M 0 ≥T 时,紧固位置合力矩 ∑ M ≠ 0,连接位置存在松动隐患。

  2.螺栓紧固件力矩衰减的典型原因

  一般情况下国内主机厂底盘紧固件在车辆装配完成后,会在紧固件和被联接件间点漆确认,以便后期确认紧固状态。车辆行驶一段时候后,装配点漆标记不变,检测力矩在设计要求范围内,为联接可靠; 装配点漆标记不变,检测螺栓力矩低于设计要求范围下限,为衰减失效,也是文中重点论述的失效形式; 装配点漆标记错位,检测力矩低于设计要求范围下限,为返松失效。个别情况某些公司为进一步保证紧固件联接的可靠性,装配时额外对紧固件进行预涂螺纹密封剂处理,此种情况会使装配后的检测力矩增大,甚至超出设计要求上限;另因螺纹密封剂化学性质、人工涂抹量等客观因素产生的不确定性影响,力矩增大幅度很难归纳总结,在此不做讨论。

  2.1 安装面精度低    

  某车型售后反馈颠簸路及过减速带行驶时,底盘前悬位置偶尔发出 “当当”异响声。维修排查前悬零部件状态,未见明显干涉、磕碰痕迹及结构性损伤,各紧固件装配点漆标记未产生明显错位。逐个检测前悬紧固件力矩,发现前悬下控制臂小轴套安装螺栓力矩存在衰减,检测力矩值为 143 N·m,设计标准力矩为 210 N·m,衰减幅度达 32%。将力矩紧固至标准力矩后,多次路试,异响未复现,初步锁定失效位置为控制臂小轴套安装位。为确认问题真因,拆解下控制臂,检查紧固件螺纹外观正常,但小轴套安装套管在控制臂安装支架上留下了深浅不同的压痕,上端比下端浅。此现象说明在装配紧固过程中控制臂轴套套管上、下端面与安装支架接触产生的压力不同。用三坐标测量仪打点检测安装支架平面关系,存在 2.06°的夹角,如图 1 所示。

  失效分析。控制臂轴套与支架为螺栓连接,正常样本控制臂两安装面为平行关系,如图2 所示; 而失效样本安装面如图1 所示存在约 2°的夹角,在装配过程中,拧紧螺栓扭矩在供紧固轴向力的同时,还会损失一部分扭矩用以矫正上端面角度,使安装面与控制臂套管接触,此时安装支架为弹性变形,相当于螺接位置增加了弹性垫片。随着车辆不断使用,安装位置反复经受交变载荷,安装支架逐步由弹性变形转变为塑性变形,安装平面角度变小,弹性变形支撑作用减弱,造成力矩衰减。

  

       整改对策:    

  (1) 从失效分析可知,随着车辆不断使用,安装面弹性变形最终会转变为塑性变形,此时对安装螺栓进行二次紧固,可消除力矩衰减。由于二次紧固时间不确定,方案不可行,但可列到售后保养点检项目中。

  (2) 由于存在制造公差,安装面不可能完全平行,设计上增加平行度约束,优化生产工艺,可有效控制角度偏差。经生产试装验证,轴套安装支架增加平行度 0. 7 mm (如图 3所示),可有效控制力矩衰减,满足设计要求,方案可行。

 

   2.2 摩擦因数选择不当   

  摩擦因数是螺栓结构的重要参数,直接影响螺栓轴向预紧力的大小及力矩的保持性能。某车型前副车架与车身安装螺栓最初设计状态要求摩擦因数为 0. 1 ~ 0. 16,螺栓规格为M14 ×1. 5,性能等级为 10. 9 级,设计力矩范围为 (210 ± 20) N·m; 下线后经过试验场路试后检测,装配点漆标记未动,个别力矩值小于设计要求下限值 190 N·m,力矩存在衰减趋势,如表 1 所示。

  失效分析。排查副车架及车身安装面平面度、Z 向高度差及搭接面间隙,均在公差范围内; 检测螺栓性能等级、材质心部硬度、垫片硬度、保载能力均满足设计要求。根据螺纹连接的摩擦防松机制,摩擦因数相对大的连接,随着工作时间加长,残余预紧力所占预紧力的百分比相对较高。最终将螺栓摩擦因数由 0. 1 ~ 0. 16 调整至 0. 2 ~ 0. 45,对比试装验证,下线后检测力矩值如表 2 所示,力矩均在设计范围内。

  对比表 1 和表 2 的检测数据,摩擦因数增大后,力矩衰减失效得到有效改善,摩擦因数越小,预紧后提供的螺栓轴向力越大,但不利于力矩的保持,力矩容易衰减; 相反,摩擦因数越大,虽然不能提供较大的紧固轴向力,但更利于力矩的保持,力矩不容易衰减。故在后期设计中,要综合考虑螺纹紧固件的用途,摩擦因数的确定亦要根据实际连接件的材质、结构进行相应调整。


  2.3 被联接件产生塑性变形    

  某车型整车耐久试验后,悬架控制臂与副车架联接螺栓产生力矩衰减,拆解控制臂发现与装配螺栓六角法兰端面接触的铝合金底座出现轻微压痕,如图 4 所示,检查螺纹结构正常,且螺栓未被拉长。


  失效机制。安装底座为铝合金材质,牌号为 6082-T6,材料屈服强度为 260 MPa,抗拉强度为 310 MPa。装配位置出现压痕,说明材料已发生塑性变形,即安装位置承受的应力超过材料的屈服强度。失效位置贴应变片,实车路试测量压痕位置最大应力为 290 MPa,远大于材料屈服强度。在整车耐久试验过程中,安装位不断承受交变载荷,当应力超过材料屈服强度时,底座产生塑性变形,联接位置轴向力配合紧密程度降低,最终产生力矩衰减。

  整改对策。针对此失效,初步对策两种方案: (1) 将安装底座更改为屈服强度更高的材质; (2) 增大安装位置的承载面积,即在安装面间增加垫片或直接加大安装螺栓的法兰面面积。综合成本及整改周期考虑,安装面间增加垫片 (见图 5)比较容易实现,且成本低。

  原承压面积为 S 0 ,螺栓法兰面接触内径为 14. 5 mm,外径为 28. 6 mm,则:


  如图 5 所示,在安装结构增加内径为 14. 5 mm、外径为 32mm 的垫片,垫片厚度为2 mm,增加垫片后的承压面积:

 

 增加垫片后,坏路测试失效位置最大应力减小至 236 MPa,小于材料屈服强度,避免底座产生塑性变形,进而消除力矩衰减。  

  3.结束语

  随着工业的发展,螺纹紧固件的使用越来越广泛。为了保证螺纹紧固联接的可靠性,需综合考虑被连接件的工艺保证能力、材料特性、摩擦因数、结构形式及工作环境,另外力矩的选择也要经过严格的校核计算。在产品设计阶段,考虑的因素越多,后期产生的失效越少。

  作者:王瑞重、张康、范秋珍

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