后背門安裝螺栓力矩衰減研究

沈峰dcmjx7q995 2020-12-16

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前言

螺紋聯(lián)接因其結(jié)構(gòu)簡單、方便拆卸、低成本等特點，廣泛運(yùn)用于各工程結(jié)構(gòu)的連接，螺紋聯(lián)接的松弛嚴(yán)重影響汽年運(yùn)行的可靠性，甚至?xí)斐绍嚉送龅膰?yán)重事故。因此，螺紋聯(lián)接力矩衰減機(jī)理是國內(nèi)、外工程領(lǐng)域研究的熱點。

Nassar等通過模型和試驗對循環(huán)橫向載荷作用下螺栓應(yīng)力松弛現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Sakai研究表明，在軸向振動下，預(yù)緊力會減小，但螺母并不與螺栓產(chǎn)生相對運(yùn)動。俞雁等人分析了發(fā)動機(jī)缸蓋螺栓斷裂的主要原因，并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施。侯世遠(yuǎn)概述紋聯(lián)接松動分析和研究發(fā)展現(xiàn)狀。侯明仁分析了車輪螺栓松動原因并提出了防止松動的措施。滕志敏研究了螺栓預(yù)緊扭矩合理值的計算。

上述研究中，很少有對車身聯(lián)接螺栓在制造過程中力矩衰減的研究。

本文從車身工程實際出發(fā)，以預(yù)緊力理論計算為基礎(chǔ)，結(jié)合某車型后背門聯(lián)接螺栓的實際情況，設(shè)計了后背門安裝螺栓力矩衰減試驗，通過理論及試驗分析，揭示了防水墊片及安裝螺母對后背門安裝螺栓力矩衰減的影響，為車身開發(fā)中螺栓防松技術(shù)提供了理論支撐和工程指導(dǎo)。

問題提出

后背門總成通過鉸鏈運(yùn)用螺栓聯(lián)接至車身側(cè)上。圖1是某車型后背門螺栓安裝于車身上的截面圖。鉸鏈的螺栓聯(lián)接了頂蓋外板、加強(qiáng)板及頂蓋內(nèi)板。

該車型后背門總成安裝于車身側(cè)的螺栓擰緊扭矩為23+2 Nm。該車型經(jīng)過涂裝后發(fā)現(xiàn)，力矩大約衰減至13.5 Nm，衰減率高達(dá)47％，如表1所示。

圖1 螺紋聯(lián)接截面圖

表1 后背門力矩變化

力矩衰減可能會產(chǎn)生后背門下垂，外觀間隙平度超差，從而影響后背門的外觀。情況嚴(yán)重時，容易發(fā)生質(zhì)量事故，造成后背門無法正常開啟和關(guān)閉。

螺栓理論計算及分析

3.1 扭矩計算

螺紋聯(lián)接的擰緊是指運(yùn)用扳手緊固螺母的裝配過程，使被緊同件受到預(yù)緊力的作用，螺紋連接的目的是實現(xiàn)兩個及兩個以上零件的接觸，保證零件之間的相對關(guān)系。

本文中螺栓的功能是連接后背門總成與車身頂蓋、該螺栓不僅要固定后背門與頂蓋的位置，而且還要有一定的防水性能。預(yù)緊力的大小表示螺栓擰緊睛況。

一般通過擰緊扭矩完成，擰緊力矩T用來克服螺紋副的相對轉(zhuǎn)動的阻力矩 T1 和螺母支撐面的摩擦力矩 T2 ：

式中， F為預(yù)緊力；d為螺紋的公稱直徑；λ為螺紋升角；ρ為螺紋當(dāng)量摩擦角；f為螺母支撐面的摩擦系數(shù)；r為支撐的摩擦半徑。

公式(1)可以簡化為經(jīng)驗方程：

式中， k為扭矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑。

螺紋的材料、表面處理情況及表而摩擦是影響扭矩系數(shù)的主要因素。K扭矩系數(shù)推薦范圍為0.2～0.25。

通常情況下，擰緊后螺紋的連接件預(yù)緊應(yīng)力不得大于其材料的屈服點的80％。根據(jù)材料的屈服極限，一般推薦預(yù)緊力計算如下：

式中σs 為屈服應(yīng)力；As 為公稱應(yīng)力截面積。

后背門一般采用M8的螺紋，螺栓強(qiáng)度等級為8.8級，即為640 MPa，As為36.6 mm 代入式(3)可推算出預(yù)緊力范圍為 F=11712～14054 N，根據(jù)公式(2)可得Tmin =18.7 Nm，Tmax=28.1 Nm。制造過程推薦預(yù)緊力矩為18～25 Nm。

3.2 力矩衰減分析

從公式(2)可知，由于螺紋的公稱直徑為定值，擰緊力矩的主要影響因素素足預(yù)緊力和扭矩系數(shù)k，k系數(shù)的主要影響因素為螺紋摩擦系數(shù)和支撐面摩擦系數(shù)。

螺紋連接副的螺紋表面，緊固時相對滑動的支撐表面狀態(tài)（加工粗糙度、覆蓋層種類和潤滑劑等）及支撐面影響其摩擦系數(shù)，從而影響扭矩系數(shù)。

3.2.1 預(yù)緊力變化

擰緊狀態(tài)下，螺柃連接可以理斛為處于亞不穩(wěn)定狀態(tài)，內(nèi)部應(yīng)力不斷發(fā)生變化。擰緊后普通螺栓連接應(yīng)力就存在釋放的傾向，即應(yīng)力不斷的減小。如出現(xiàn)相關(guān)影響因素如振動、溫度、軸向載茼等，螺紋連接應(yīng)力將加速松弛。

在涂裝過程中，螺紋溫度發(fā)生幾次急劇變化，導(dǎo)致螺紋應(yīng)力產(chǎn)生釋放。在螺栓未轉(zhuǎn)動情況下，螺紋的連接應(yīng)力可能產(chǎn)生松弛，螺栓預(yù)緊力下降。

3.2.2 扭矩系數(shù)變化

為防止鉸鏈安裝面漏水，后背門鉸鏈與車身頂蓋之間增加一層防水墊片。

首先，防水墊片使螺母支撐面的摩擦系數(shù)和蹼泳鈑金之間的摩擦系數(shù)產(chǎn)生很大的變化。在涂裝過程，防水墊片的物理變化也會導(dǎo)致摩擦系數(shù)發(fā)生變化。

其次，由于防水墊片材料偏軟，連接表面存大大應(yīng)力作用下更容易出現(xiàn)環(huán)狀塌陷。

最后，經(jīng)過涂裝溶液的多次浸泡和烘烤，防水墊片的硬度發(fā)變化。螺栓聯(lián)接剛度下降導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)系數(shù)減小。

試驗設(shè)計及分析

4.1 試驗設(shè)計

后背們鉸鏈一般由活動頁板、剛定支架、軸銷、螺栓及防水墊片組成。頁板及支架一般采用SPHC、SAPH370 或 QSTE420材料。防水墊片采用一種紅色鋼板紙，具有較高的強(qiáng)度、良好的吸水性能，表面光滑平骼，富有韌性，適用于各種門鉸鏈的防水密封。壓縮性能為 350g/cm3 ，可壓縮10％～20％，壓力去除后至少能夠恢復(fù)55％。螺栓采用壓花螺栓，壓花螺栓強(qiáng)度等級8.8級，螺母代號為 Q32008，表面采用鍍鋅鈍化。

為了驗證上述對力矩衰減的理論分析，模擬了，后背門安裝與車身的連接后涂裝工況，設(shè)計了如圖 2所示的力矩衰減驗證試驗。選用厚度為1.0 mm的 DC06板料作為被連接件。為了模擬實際情況，每個樣件采用 3層板連接、相同的鉸鏈以及相同的擰緊力矩，試驗中的沒汁變量為防水墊片厚度及螺母型號。

具體驗證方法如下：螺母型號采用 932008(六角法蘭面螺母)以及 Q32208(六角螺母和錐形彈性墊圈組合件)；防水墊片厚度采用 0.5 mm、1.0 mm及2.0 mm。為保證試驗準(zhǔn)確性及精度，每組試驗分圳做3個樣件，合計24個。每個樣件采片用23 N·m的力矩進(jìn)行緊固。

4.2 試驗結(jié)果及分析

經(jīng)過涂裝電泳之后，檢測樣件的擰緊力矩，結(jié)果如表2所示。通過厚度為0的試驗組發(fā)現(xiàn)，涂裝后的樣件緊同力矩不產(chǎn)生衰減。因此，鉸鏈結(jié)構(gòu)、螺母種類、預(yù)緊力初始值及溫度不是力矩衰減的主要原因。

涂裝過程中，試驗件受到多次浸泡及烘干，樣件表面覆蓋厚度>12 μm的涂層。涂層使接觸的摩擦系數(shù)變大以及涂層具有一定的附著力，使螺紋的力矩增加。由于涂裝的溫度低(一般為100℃～150℃)、時問短(20 min左右)，溫度對螺紋應(yīng)力松弛造成的影響較小。

當(dāng)樣件增加防水墊片后，螺栓的擰緊力矩產(chǎn)生不同程度的衰減，對比有無防水墊的試驗可以證明，防水墊片的存在是聯(lián)接螺栓力矩衰減的最重要原因。

圖2 螺栓力矩衰減試驗設(shè)計

表2 力矩衰減試驗結(jié)果

首先，防水墊片材料允許發(fā)生20％的變形。為研究防水墊片在溶劑中的浸泡情況，設(shè)計簡單試驗如下：取5個理論厚度為0.5 mm的防水墊片，置于50℃的水中浸泡。每隔一段時間，用游標(biāo)卡尺測量墊片厚度，測量結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，防水墊片浸泡后在15min內(nèi)迅速膨脹，厚度約增加0.2 mm，提高了40％，15min后，防水墊片不再繼續(xù)膨脹，厚度保持穩(wěn)定。若防水墊片的初始厚度增加，厚度的膨脹量將會更大。

涂裝過程中，樣件浸泡于溶劑中時間大約為20 min，防水墊片經(jīng)過多次浸泡，厚度不斷發(fā)生突變，致使鉸鏈的連接剛度下降。螺紋聯(lián)接中存在較軟的防水墊片時，聯(lián)接由硬連接變?yōu)檐涍B接。連接剛度下降是造成力矩衰減的最重要的原因。

其次，由于防水墊片的硬度比鈑金小以及較強(qiáng)的吸水特性，螺母頂緊后接觸面板易產(chǎn)生塌陷。支撐面的防水墊片沉陷，使預(yù)緊力產(chǎn)生衰減。

最后，防水墊片經(jīng)過涂裝處理，墊片支撐面的摩擦系數(shù)也會發(fā)生明顯的變化摩擦系數(shù)的變化也是力矩衰減的原因之一。

圖3 墊片厚度與浸泡時間的關(guān)系

4.2.1 防水墊片厚度

隨著防水墊片厚度的增加，螺儉力矩衰減值逐漸增大。兩種螺母的力矩衰減評價值隨著厚度變化的情況如同4所示。

以 Q32008為例，防水墊片厚度為1.0時，擰緊力矩值僅為7.5 Nm，減小15.5 Nm，衰減半離達(dá)67.39％。衰減后的力矩值不能滿足相關(guān)要求，由于墊片厚度增加，墊片在涂裝過程中的膨脹量更大。墊片的變化量越大，力矩哀減越嚴(yán)重。

圖4 螺栓力矩值與墊片厚度的關(guān)系

4.2.2 螺母類別

無防水墊片時，Q32008力矩矩平均增加至37Nm，Q3220S力矩平均增加至31 Nm。在3種不同厚度的防水墊片下。Q32008的力矩衰減值均比 Q3220s 的力矩衰減值嚴(yán)重。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，Q32008 的力矩變化范圍為4.5～37 Nm ，Q32208 的力矩變化范圍為7.5～31 Nm 。Q32208 在試驗過程中比 Q32008 的力矩變化范圍小，力矩更加穩(wěn)定，由于Q3220s 與連接材料的接觸面比Q32008 大，因此，支撐面摩擦系數(shù)大。

綜合前述的理論分析，涂裝后，Q32208 的力矩比 Q32008 的力矩更加穩(wěn)定。

4.3 改善措施

根據(jù)上述理論及試驗分析，結(jié)合具體的聯(lián)接工況，提出了以下改善措施：

4.3.1 制定合理的檢查扭矩范圍

預(yù)緊力從23±2 Nm調(diào)整至26±2Nm，完善扭矩檢查規(guī)范。在生產(chǎn)過程中對扭矩進(jìn)行實時檢查監(jiān)控。

4.3.2 涂裝后力矩校核擰緊

涂裝實施后，對實車的緊固力矩進(jìn)行重復(fù)擰緊。

4.3.3 改變防水墊片厚度

根據(jù)試驗可知，力矩哀減會隨著防水墊片厚度減小而減小，減小防水墊片或更換密封材料是改善力矩衰減的重要措施。鑒于厚度的變化引起后背門平度的突變，該車型暫小采取該措施。針對它，在研發(fā)前期，推薦采用厚度為0.5 mm的防水墊片。

4.3.4 換新螺母

通過兩種類型的螺母試驗可知，Q32208較Q32008具有更好的抗矩衰減性能。該車型由普通Q32008 換為Q32208。針對其他車型，在研發(fā)前期推薦采用帶墊圈的組合螺母。

針對上述改善措施，結(jié)合該車型的具體情況，采取改善方案為：緊同力矩改為26±2 Nm ，螺母更換為Q32208、通過實車驗證發(fā)現(xiàn)，力矩從26 Nm衰減至22～26 Nm ，符合公司要求。