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标準與技術

後背門安裝螺栓力矩衰減研究

發布時間:2019-04-03   來源:GAF螺絲君   作者:吳洪亮 等  

  1. 前言

  螺紋聯接因其結構簡單、方便拆卸、低成本等特點,廣泛運用于各工程結構的連接,螺紋聯接的松弛嚴重影響汽年運行的可靠性,甚至會造成車毀人亡的嚴重事故。因此,螺紋聯接力矩衰減機理是國内、外工程領域研究的熱點。

  Nassar等通過模型和試驗對循環橫向載荷作用下螺栓應力松弛現象進行了研究。Sakai研究表明,在軸向振動下,預緊力會減小,但螺母并不與螺栓產生相對運動。俞雁等人分析了發動機缸蓋螺栓斷裂的主要原因,并提出了相應改進措施。侯世遠概述紋聯接松動分析和研究發展現狀 。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緊扭矩合理值的計算。

  上述研究中,很少有對車身聯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,以預緊力理論計算為基礎,結合某車型後背門聯接螺栓的實際情況,設計了後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後背門安裝螺栓力矩衰減的影響,為車身開發中螺栓防松技術提供了理論支撐和工程指導。

  2. 問題提出

  後背門總成通過鉸鏈運用螺栓聯接至車身側上。 圖1是某車型後背門螺栓安裝于車身上的截面圖。鉸鏈的螺栓聯接了頂蓋外闆、加強闆及頂蓋内闆。

  該車型後背門總成安裝于車身側的螺栓擰緊扭矩為23+2 Nm。該車型經過塗裝後發現,力矩大約衰減至13.5 Nm,衰減率高達47%,如表1所示。

圖1 螺紋聯接截面圖

表1 後背門力矩變化

  力矩衰減可能會產生後背門下垂,外觀間隙平度超差,從而影響後背門的外觀。情況嚴重時,容易發生質量事故,造成後背門無法正常開啟和關閉。

  3. 螺栓理論計算及分析

  3.1 扭矩計算

  螺紋聯接的擰緊是指運用扳手緊固螺母的裝配過程,使被緊同件受到預緊力的作用,螺紋連接的目的是實現兩個及兩個以上零件的接觸,保證零件之間的相對關系。

  本文中螺栓的功能是連接後背門總成與車身頂蓋、該螺栓不僅要固定後背門與頂蓋的位置,而且還要有一定的防水性能。預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動的阻力矩 T1 和螺母支撐面的摩擦力矩 T2 :

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

  公式(1)可以簡化為經驗方程 :

  式中, k為扭矩系數;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的主要因素。K扭矩系數推薦範圍為0.2~0.25。

  通常情況下,擰緊後螺紋的連接件預緊應力不得大于其材料的屈服點的80%。根據材料的屈服極限,一般推薦預緊力計算如下:

  式中σs 為屈服應力;As 為公稱應力截面積。

  後背門一般采用M8的螺紋,螺栓強度等級為8.8級,即 為640 MPa,As為36.6 mm 代入式(3)可推算出預緊力範圍為 F=11712~14054 N,根據公式(2)可得Tmin =18.7 Nm,Tmax=28.1 Nm。制造過程推薦預緊力矩為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緊力和扭矩系數k,k系數的主要影響因素為螺紋摩擦系數和支撐面摩擦系數。

  螺紋連接副的螺紋表面,緊固時相對滑動的支撐表面狀态(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,從而影響扭矩系數。

  3.2.1 預緊力變化

  擰緊狀态下,螺柃連接可以理斛為處 于亞不穩定狀态,内部應力不斷發生變化。擰緊後普通螺栓連接應力就存在釋放的傾向,即應力不斷的減小。如出現相關影響因素如振動、溫度、軸向載茼等,螺紋連接應力将加速松弛。

  在塗裝過程中,螺紋溫度發生幾次急劇變化,導緻螺紋應力產生釋放。在螺栓未轉動情況下,螺紋的連接應力可能產生松弛,螺栓預緊力下降。

  3.2.2 扭矩系數變化

  為防止鉸鏈安裝面漏水,後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和蹼泳钣金之間的摩擦系數產生很大的變化。在塗裝過程,防水墊片的物理變化也會導緻摩擦系數發生變化。

  其次,由于防水墊片材料偏軟,連接表面存大大應力作用下更容易出現環狀塌陷。

  最後,經過塗裝溶液的多次浸泡和烘烤,防水墊片的硬度發變化。螺栓聯接剛度下降 導緻扭轉系數減小。

  4. 試驗設計及分析

  4.1 試驗設計

  後背們鉸鏈一般由活動頁闆、剛定支架、軸銷、螺栓及防水墊片組成。頁闆及支架一般采用SPHC、SAPH370 或 QSTE420材料。防水墊片采用一種紅色鋼闆紙,具有較高的強度、良好的吸水性能,表面光滑平骼,富有韌性,适用于各種門鉸鏈的防水密封。壓縮性能為 350g/cm3 ,可壓縮10%~20%,壓力去除後至少能夠恢複55%。螺栓采用壓花螺栓,壓花螺栓強度等級8.8級,螺母代号為 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,模拟了,後背門安裝與車身的連接後塗裝工況,設計了如圖 2所示的力矩衰減驗證試驗。選用厚度為1.0 mm的 DC06闆料作為被連接件。為了模拟實際情況,每個樣件采用 3層闆連接、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号。

  具體驗證方法如下:螺母型号采用 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。為保證試驗準确性及精度,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的力矩進行緊固。

  4.2 試驗結果及分析

  經過塗裝電泳之後,檢測樣件的擰緊力矩,結果如表2所示。通過厚度為0的試驗組發現,塗裝後的樣件緊同力矩不產生衰減。因此,鉸鏈結構、螺母種類、預緊力初始值及溫度不是力矩衰減的主要原因。

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

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

圖2  螺栓力矩衰減試驗設計

表2  力矩衰減試驗結果

  首先,防水墊片材料允許發生20%的變形。為研究防水墊片在溶劑中的浸泡情況,設計簡單試驗如下: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,用遊标卡尺測量墊片厚度,測量結果如圖3所示。

  從圖3可以看出,防水墊片浸泡後在15min内迅速膨脹,厚度約增加0.2 mm,提高了40%,15min後,防水墊片不再繼續膨脹,厚度保持穩定。若防水墊片的初始厚度增加,厚度的膨脹量将會更大。

  塗裝過程中,樣件浸泡于溶劑中時間大約為20 min,防水墊片經過多次浸泡,厚度不斷發生突變,緻使鉸鏈的連接剛度下降。螺紋聯接中存在較軟的防水墊片時,聯接由硬連接變為軟連接。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钣金小以及較強的吸水特性,螺母頂緊後接觸面闆易產生塌陷。支撐面的防水墊片沉陷,使預緊力產生衰減。

  最後,防水墊片經過塗裝處理,墊片支撐面的摩擦系數也會發生明顯的變化摩擦系數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系

  4.2.1 防水墊片厚度

  随着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随着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67.39%。衰減後的力矩值不能滿足相關要求,由于墊片厚度增加,墊片在塗裝過程中的膨脹量更大。墊片的變化量越大,力矩哀減越嚴重。

圖4  螺栓力矩值與墊片厚度的關系

  4.2.2 螺母類别

  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 的力矩衰減值嚴重。

  通過試驗發現,Q32008 的力矩變化範圍為4.5~37 Nm ,Q32208 的力矩變化範圍為7.5~31 Nm 。Q32208 在試驗過程中比 Q32008 的力矩變化範圍小,力矩更加穩定 ,由于Q3220s 與連接材料的接觸面比Q32008 大,因此,支撐面摩擦系數大。

  綜合前述的理論分析,塗裝後,Q32208 的力矩比 Q32008 的力矩更加穩定。

  4.3 改善措施

  根據上述理論及試驗分析,結合具體的聯接工況,提出了以下改善措施:

  4.3.1 制定合理的檢查扭矩範圍

  預緊力從23±2 Nm調整至26±2Nm,完善扭矩檢查規範。在生產過程中對扭矩進行實時檢查監控。

  4.3.2 塗裝後力矩校核擰緊

  塗裝實施後,對實車的緊固力矩進行重複擰緊。

  4.3.3 改變防水墊片厚度

  根據試驗可知,力矩哀減會随着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後背門平度的突變,該車型暫小采取該措施。針對它 ,在研發前期,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,在研發前期推薦采用帶墊圈的組合螺母。

  針對上述改善措施,結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、通過實車驗證發現,力矩從26 Nm衰減至22~26 Nm ,符合公司要求。

  5. 結束語

  本文從某車型經過塗裝後螺柃力矩哀減問題出發,通過理論分析及試驗數據, 詳細研究了該車型後背門安裝螺栓的衰減原因,并得到以下結論:

  a.若無防水墊片,緊同力矩不會衰減,反之力矩會增加;

  b.防水墊片是應力松弛的首要原因。随着防水墊片厚度的增加,應力松弛現象嚴重。

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