劉金鋒 柴之龍 王斯博 蒼衍 鄧洋 田博

摘要：螺栓連接是目前汽車(chē)工業(yè)最常用的連接工藝，其連接失效是汽車(chē)上是常見(jiàn)的產(chǎn)品問(wèn)題，尤其以螺栓松動(dòng)問(wèn)題最為常見(jiàn)。通過(guò)對(duì)自攻鎖緊螺栓研究，發(fā)現(xiàn)其具有高連接可靠性、可重復(fù)使用、低系統(tǒng)成本的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)螺栓裝配工藝開(kāi)發(fā)，區(qū)分與普通螺栓的扭矩-夾緊力關(guān)系差異，確定裝配工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠連接。

關(guān)鍵詞：自攻鎖緊螺栓 連接可靠性 裝配工藝參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：U466? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220346

Abstract： Bolt connection is the most commonly used connection technology in automobile industry， its connection failure is a common problem in automobiles， in particular， bolt looseness is the most common problem. Through the research on self-tapping locking bolt， it is found that it has the advantages of high connection reliability， repeated use and low system cost. Through the bolt assembly process development， the difference of torque-clamping force relationship with ordinary bolts was distinguished， the assembly process parameters were determined and reliable bolt connection was realized.

Key words： Self-tapping locking bolt， Connection reliability， Assembly process parameter

1 前言

隨著汽車(chē)工業(yè)對(duì)高性能、高可靠、低成本、輕量化的要求越來(lái)越高，連接工藝需要進(jìn)行進(jìn)一步探索和研究以滿足汽車(chē)工業(yè)發(fā)展需求。螺紋連接作為汽車(chē)零部件之間4種常用連接方式（螺接、焊接、鉚接和粘接）之一，具有裝配方便、精度高、拆裝便利優(yōu)點(diǎn)，是標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的機(jī)械零件。轎車(chē)上平均每車(chē)用螺紋緊固件約500種，數(shù)量約4 000個(gè)，成本約占整車(chē)成本的2.5%，螺紋緊固件連接的工作量占裝配線工作量的70%左右[1]。在分析失效問(wèn)題時(shí)，與螺栓相關(guān)的失效頻發(fā)：2021年12月，保時(shí)捷因后橋上控制臂與后橋、車(chē)輪軸承殼體的螺紋連接未達(dá)到規(guī)定的擰緊要求，召回Taycan系列純電動(dòng)汽車(chē)19輛；2021年12月，大眾汽車(chē)因油軌螺栓擰緊力矩不足，召回進(jìn)口甲殼蟲(chóng)、尚酷、高爾夫、夏朗、途威、蔚攬及奧迪A1系列汽車(chē)，共計(jì)37 094輛；2022年5月，瑪莎拉蒂因48 V電池上接地螺栓扭矩未達(dá)到技術(shù)要求，召回755輛；同年7月，該車(chē)由于裝配錯(cuò)誤型號(hào)48 V蓄電池高位搭鐵固定螺栓，召回5輛；另外，該款車(chē)又因48 V電池正極固定點(diǎn)螺栓未正確擰緊召回萊凡特混合動(dòng)力汽車(chē)22輛；2022年5月，奔馳因車(chē)輛前軸或后軸制動(dòng)卡鉗殼體上的導(dǎo)向銷(xiāo)螺栓沒(méi)按照規(guī)定扭矩緊固，召回進(jìn)口CLA、GLB SUV汽車(chē)，共計(jì)5輛，同年8月，因蓄電池接地線接地固定螺栓緊固扭矩不足，召回進(jìn)口GLE SUV和GLS SUV汽車(chē)11 212輛，同年9月，又因車(chē)輛前、后保險(xiǎn)杠上牽引固定點(diǎn)的螺紋無(wú)法達(dá)到正常固定所需螺紋連接深度，召回進(jìn)口EQS汽車(chē)660輛[2-7]。螺紋連接產(chǎn)生問(wèn)題的主要原因是螺栓松動(dòng)，具體表現(xiàn)有防松措施不當(dāng)、裝配工藝不合理、螺栓選型不合理問(wèn)題[8]。

為了盡量避免螺紋連接出現(xiàn)問(wèn)題，必須充分考慮連接對(duì)象的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文以電機(jī)控制器所用螺栓為例，對(duì)其連接特點(diǎn)和防松技術(shù)進(jìn)行研究，選擇一種適合電機(jī)控制器用的三棱形自攻鎖緊螺栓，并對(duì)該螺栓的裝配參數(shù)進(jìn)行研究，為其制定合理的裝配工藝，降低螺紋連接失效風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品連接可靠性。

2 防松技術(shù)

2.1 電機(jī)控制器產(chǎn)品特點(diǎn)

電機(jī)控制系統(tǒng)作為新能源汽車(chē)的重要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，對(duì)輕量化、小型化和低成本有很高要求。為滿足上述產(chǎn)品需求，電機(jī)控制器產(chǎn)品在連接方面具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

a. 為滿足產(chǎn)品輕量化需求，電機(jī)控制器殼體多采用壓鑄鋁合金，硬度不高，同時(shí)，為滿足產(chǎn)品小型化需求，殼體空間有限，往往不能滿足螺栓旋合深度的要求；

b. 電機(jī)控制器內(nèi)部被連接件存在大量薄壁件，如電路板、屏蔽板，螺栓夾緊長(zhǎng)度難以滿足防松要求；

c. 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能需要多次拆裝；

d. 產(chǎn)品清潔度要求較高，要求在使用過(guò)程盡可能少產(chǎn)生金屬碎屑。

從電機(jī)控制器產(chǎn)品連接特點(diǎn)來(lái)看，采用普通螺栓連接存在松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，必須考慮防松措施。

2.2 防松技術(shù)

螺紋緊固件通過(guò)螺紋的方式連接多個(gè)部件，在被連接件上施加軸向夾緊力，再通過(guò)螺紋之間的摩擦力防止螺紋松脫，從而達(dá)到連接并緊固零部件的目的。大量的理論研究和工程實(shí)踐表明，預(yù)緊力才是保障螺紋連接可靠性的關(guān)鍵，螺紋連接可能在不發(fā)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的情況下出現(xiàn)預(yù)緊力下降，從而威脅產(chǎn)品性能和可靠性，因此螺栓松動(dòng)應(yīng)廣義理解為預(yù)緊力下降，基于此，螺紋連接松動(dòng)應(yīng)分為2類(lèi)，即非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)和旋轉(zhuǎn)松動(dòng)[9-12]。

通過(guò)對(duì)非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，螺紋連接在沒(méi)有承受外部載荷的情況下，主要受表面嵌入、蠕變和應(yīng)力松弛的影響，表現(xiàn)為長(zhǎng)期緩慢的預(yù)緊力衰退。如果螺紋連接使用了較軟材料的墊圈和涂層，則材料蠕變將引發(fā)主要的非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。如果螺紋連接的工作溫度比較高，則應(yīng)力松弛將導(dǎo)致較大規(guī)模的預(yù)緊力衰退。另一方面，當(dāng)螺紋連接受到周期性外部載荷作用時(shí)，微動(dòng)磨損、應(yīng)力再分布和周期性塑性變形是影響非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)的主要因素，表現(xiàn)為快速的預(yù)緊力衰退，周期性外部載荷的振幅越大，預(yù)緊力衰退越嚴(yán)重。在工程應(yīng)用中，上述因素導(dǎo)致的預(yù)緊力衰退通常不可避免，為了保障可靠的連接性能，可以通過(guò)增加擰緊力矩的方式抵消可能的非旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。

另外，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，螺紋緊固件經(jīng)常受到振動(dòng)、沖擊的外力作用，導(dǎo)致緊固件產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)松動(dòng)。針對(duì)旋轉(zhuǎn)松動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理，衍生出了多種增強(qiáng)螺紋連接效果的防松措施，如表1所示。

由表1可知，端面摩擦扭矩防松、張力鎖緊防松、機(jī)械鎖緊防松這3種措施需要額外增加部件，為制造和安裝帶來(lái)不便，同時(shí)增加了螺紋連接的質(zhì)量和成本，不利于產(chǎn)品輕量化和低成本。不可拆卸防松不利于產(chǎn)品拆裝及維修，也不適合電機(jī)控制器產(chǎn)品。因此考慮采用螺紋面摩擦扭矩防松措施，選用一種連接過(guò)程產(chǎn)生金屬碎屑較少的三棱形自攻鎖緊螺栓進(jìn)行防松。另外，針對(duì)電機(jī)控制器內(nèi)部被連接件存在較多薄壁件的情況，可考慮采用沉孔方式適當(dāng)增加被連接長(zhǎng)度，增強(qiáng)連接可靠性。

3 三棱形自攻鎖緊螺栓特點(diǎn)

本文研究的三棱形自攻鎖緊螺栓具有連接性能優(yōu)越、連接過(guò)程產(chǎn)生金屬碎屑少、防松效果好，可多次重復(fù)使用和安裝使用成本低的[13]特點(diǎn)。

a. 被連接件在緊固過(guò)程中通過(guò)擠壓而非切削方式形成螺紋，因此緊固過(guò)程基本沒(méi)有金屬碎屑產(chǎn)生，如圖1所示。

b. 由于螺紋擠壓作用，被連接件形成的螺紋周?chē)l(fā)生冷作硬化作用，增強(qiáng)表面強(qiáng)度，螺牙與母體材料無(wú)間隙配合，咬合面積較大，可以產(chǎn)生更好的夾緊力，螺栓鎖緊防松效果好，如圖2所示。

c. 通過(guò)橫向振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證[14]，三棱形自攻鎖緊螺栓的夾緊力損失較小，防松效果好，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

試驗(yàn)依據(jù)：GB/T 10431—2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》；試驗(yàn)設(shè)備：SCHATZ橫向振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)；每組樣品：10件；頻率f=12.5 Hz；循環(huán)次數(shù)N=1 500次；初始夾緊力：6.9 kN；振幅：0.3 mm。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)1 500次振動(dòng)循環(huán)，自攻鎖緊螺栓殘余夾緊力占初始夾緊力的87.4%，而普通螺栓已完全松脫。試驗(yàn)表明，自攻鎖緊螺栓防松能力遠(yuǎn)高于普通螺栓。

d. 三棱形自攻鎖緊螺栓可多次重復(fù)使用。進(jìn)行多次重復(fù)使用試驗(yàn)，選用M5×16三棱形自攻鎖緊螺栓10個(gè)，對(duì)配孔徑為4.64（-0.03，+0.02） mm盲孔。對(duì)同一螺栓及其對(duì)應(yīng)孔，連續(xù)進(jìn)行6次擰緊、松脫試驗(yàn)，第1次擰緊設(shè)定螺栓攻絲階段轉(zhuǎn)速200 r/min，力矩達(dá)到2.5 N·m后，轉(zhuǎn)速切換成20 r/min，鎖緊力矩達(dá)到6 N·m停止擰緊，之后按20 r/min進(jìn)行松脫試驗(yàn)，松脫角度至180°后停止，之后再次以20 r/min進(jìn)行擰緊試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行6次循環(huán)，第6次松脫試驗(yàn)時(shí)，螺栓全部擰出，擰緊松脫過(guò)程中夾緊力數(shù)據(jù)如表2、圖4所示，松脫力矩?cái)?shù)據(jù)如表3、圖5所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于10個(gè)樣品，其6次試驗(yàn)夾緊力與第一次擰緊時(shí)夾緊力的比值為90%～123.2%，且每個(gè)樣品6次試驗(yàn)的夾緊力標(biāo)準(zhǔn)差值相對(duì)較小。

對(duì)于10個(gè)樣品，松脫扭矩是擰緊扭矩6 N·m的53.8%～97%。第2次的松脫扭矩是第1次的82.6%～94.4%，后面幾次的松脫扭矩非常接近，是第2次松脫扭矩的86%～107%。每個(gè)樣品6次試驗(yàn)的松脫扭矩標(biāo)準(zhǔn)差值也相對(duì)較小。

這些試驗(yàn)表明，自攻鎖緊螺栓及其成型的內(nèi)螺紋可以多次重復(fù)使用。

e. 三棱形自攻鎖緊螺栓系統(tǒng)使用成本低。雖然同規(guī)格的單個(gè)三棱形自攻鎖緊螺栓比普通螺栓成本略高，但從整個(gè)緊固系統(tǒng)來(lái)看，自攻鎖緊螺栓綜合使用成本更低。以M5×16螺栓為例，如表4所示。

綜上，三棱形自攻鎖緊螺栓能夠很好地滿足電機(jī)控制器連接需求，該螺栓的推廣及應(yīng)用，符合汽車(chē)工業(yè)對(duì)高性能、高可靠、低成本、輕量化產(chǎn)品要求，因此有必要對(duì)其開(kāi)展進(jìn)一步的工程化應(yīng)用研究。

4 三棱形自攻鎖緊螺栓裝配工藝

4.1 不同配合孔徑

自攻鎖緊螺栓靠螺栓自身擠壓作用建立連接關(guān)系，因此，被連接件的孔徑與螺栓的配合關(guān)系，直接影響攻絲力矩、鎖緊力矩-夾緊力關(guān)系，因此，孔徑與螺栓配合關(guān)系的確定至關(guān)重要。一般根據(jù)擠壓螺紋和自攻鎖緊螺栓的螺紋嚙合比確定配合孔徑尺寸。螺栓廠家會(huì)提供不同螺紋嚙合百分比對(duì)應(yīng)的配合孔徑尺寸，以便設(shè)計(jì)使用。

4.2 力矩-夾緊力分析[15]

由于自攻鎖緊螺栓扭矩-夾緊力受孔徑、材料、螺栓頭型因素影響較大，不能直接參考普通螺栓對(duì)應(yīng)的鎖緊扭矩，以M5×16自攻鎖緊盤(pán)頭內(nèi)六花螺栓為例，螺紋嚙合比為70%，即孔徑4.64（-0.03，+0.02） mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖7為普通盤(pán)頭螺栓扭矩-夾緊力關(guān)系。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，普通螺栓扭矩-夾緊力關(guān)系與自攻鎖緊螺栓扭矩-夾緊力關(guān)系差異很大，比如，如圖7所示，同樣擰緊扭矩7 N·m，自攻鎖緊盤(pán)頭螺栓對(duì)應(yīng)夾緊力范圍為3.8～5.2 kN，但普通盤(pán)頭螺栓（摩擦因數(shù)0.1～0.14），對(duì)應(yīng)夾緊力為7.1～9.5 kN。因此，不能參照普通螺栓的鎖緊扭矩確定自攻鎖緊螺栓的鎖緊扭矩，需通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)確定擰緊工藝參數(shù)。

4.3 擰緊工藝關(guān)鍵參數(shù)確定[16-17]

一般自攻鎖緊螺栓擰緊過(guò)程分為以下4個(gè)階段，認(rèn)帽、攻絲、擰緊和停止?？紤]裝配效率，攻絲階段一般設(shè)定一個(gè)較高轉(zhuǎn)速，但轉(zhuǎn)速不易超過(guò)300 r/min；在攻絲和擰緊階段之間，可以設(shè)置一段短時(shí)停頓時(shí)間，主要讓高速攻絲階段產(chǎn)生的變形，充分釋放，之后再以較低的轉(zhuǎn)速擰緊到目標(biāo)扭矩。

下面以M5×16自攻鎖緊螺栓為例，確定其擰緊程序。自攻鎖緊螺栓完整的擰緊過(guò)程如圖8所示。

取15個(gè)樣件進(jìn)行螺栓擰緊試驗(yàn)，以轉(zhuǎn)速為20 r/min擰緊，直至螺栓屈服或擰斷，得到擰緊數(shù)據(jù)如圖9所示。

根據(jù)圖示數(shù)據(jù)，初步確定最大攻絲扭矩max.Fk=3 N·m；最小屈服扭矩min.Zu=11 N·m；擰緊扭矩T；最小屈服扭矩和最大攻絲扭矩差D：

通過(guò)上式，初步確定擰緊扭矩范圍：5.7 N·m

如圖6所示，最小擰緊扭矩5.8 N·m對(duì)應(yīng)的夾緊力為F1=3.5 kN，最大擰緊扭矩7 N·m對(duì)應(yīng)的夾緊力為F2=4.5 kN。假定固定樣件質(zhì)量m=0.6 kg，固定點(diǎn)數(shù)量n=8，連接材料為鋼套，壓潰壓強(qiáng)P=490 MPa（參照標(biāo)準(zhǔn)VDI 2230《高應(yīng)力螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算 一個(gè)螺柱螺栓連接》），內(nèi)徑d1=5.5 mm，外徑d2=8 mm，沖擊加速度a=50 g。

產(chǎn)品固定需求力F=m×a/n=36.75 N，F(xiàn)1>F，滿足產(chǎn)品固定需求。承壓面積[s=π×d22-d214]，壓強(qiáng)P1=F2/s=169.8 MPa，P1

另外，由于試驗(yàn)條件和產(chǎn)線裝配條件有所差異，需根據(jù)產(chǎn)線裝配數(shù)據(jù)驗(yàn)證并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行裝配工藝參數(shù)修正。經(jīng)小批量產(chǎn)品測(cè)試，發(fā)現(xiàn)max.Fk應(yīng)調(diào)整為3.7 N·m，min.Zu調(diào)整為12 N·m，帶入式（1）中，得到6.5 N·m

因此，生產(chǎn)線裝配鎖緊扭矩調(diào)整為（7.2±0.6）N·m。7.8 N·m對(duì)應(yīng)夾緊力為F35.4 kN，該夾緊力下壓強(qiáng)P2=F3/s=203.7 MPa，P2

根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍和自攻鎖緊螺栓擰緊特性，設(shè)定攻絲階段轉(zhuǎn)速為200 r/min，擰緊階段轉(zhuǎn)速20 r/min，攻絲和擰緊階段切換停頓時(shí)間為0.1 s。

綜上，該自攻鎖緊螺栓擰緊程序設(shè)置為以下步驟：

a. 認(rèn)帽；

b. 攻絲，轉(zhuǎn)速為200 r/min，攻絲扭矩為（3.7±0.3） N·m；

c. 停頓0.1 s；

d. 鎖緊，轉(zhuǎn)速為20 r/min，鎖緊扭矩為（7.2±0.6）N·m；

e. 停止。

5 結(jié)束語(yǔ)

三棱形自攻鎖緊螺栓具有較好的防松性能、綜合應(yīng)用成本低、連接可靠、適合大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，但目前尚有較多難題需進(jìn)行更深層次的研究，比如現(xiàn)階段自攻鎖緊螺栓還多停留在選型應(yīng)用階段，主要通過(guò)試驗(yàn)確定裝配參數(shù)，暫未看到通過(guò)計(jì)算確定自攻鎖緊螺栓裝配參數(shù)的正向設(shè)計(jì)應(yīng)用案例。另外，普通螺栓摩擦因數(shù)是評(píng)價(jià)普通螺栓很重要的指標(biāo)，但是該參數(shù)并不適用評(píng)價(jià)自攻鎖緊螺栓，目前還缺乏一些針對(duì)自攻鎖緊螺栓的評(píng)價(jià)手段。故有待對(duì)自攻鎖緊螺栓開(kāi)展進(jìn)一步深入研究，健全自攻鎖緊螺栓正向設(shè)計(jì)應(yīng)用能力以及自攻鎖緊螺栓質(zhì)量評(píng)價(jià)能力。

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