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(yùn)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.