汽車安全帶緊固力矩衰減研究

田林，林濤，王杰，謝文風(fēng)

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

安全帶在車輛發(fā)生緊急情況時(shí)，對(duì)乘員起著十分重要的保護(hù)作用，因此安全帶穩(wěn)定可靠地緊固在車體框架上是先決條件。目前安全帶的緊固方式主要依靠螺栓連接，螺栓連接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、拆裝便捷等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可獲得較大緊固力，在汽車行業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]。在結(jié)構(gòu)原理方面，螺紋連接本身具有自鎖性，但汽車在不同路況下長(zhǎng)期行駛后，緊固結(jié)構(gòu)會(huì)受到車身傳遞來(lái)的各向沖擊和振動(dòng)，螺栓的緊固力矩會(huì)隨之發(fā)生變化[2-3]。若力矩發(fā)生衰減變化，且衰減十分嚴(yán)重時(shí)，螺栓將開始出現(xiàn)松動(dòng)跡象，嚴(yán)重降低安全帶的緊固性能，進(jìn)而影響乘員的安全保護(hù)性，所以穩(wěn)定的螺栓緊固力矩十分重要。

1 影響因素及結(jié)構(gòu)分析

某車型在試驗(yàn)場(chǎng)完成3萬(wàn)多公里的耐久試驗(yàn)后，安全帶不同緊固點(diǎn)位均出現(xiàn)力矩衰減，最大衰減值有24 N·m左右，安全帶各零件的裝配位置如圖1所示，力矩衰減情況見表1。

圖1 安全帶各零件的裝配位置

表1 安全帶各零件的力矩衰減情況

1.1 力矩衰減影響因素

螺栓緊固力矩衰減在實(shí)際生產(chǎn)和使用過(guò)程中是一種十分常見的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在軟連接中表現(xiàn)得更為嚴(yán)重[4]。螺栓緊固力矩衰減的主要影響因素有：軟連接、被連接件磨損及壓潰、螺紋損傷、沖擊振動(dòng)等，具體如圖2所示。王靜[4]分析了緊固策略、軟連接對(duì)力矩衰減的影響并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。王曉斌和劉艷兵[5]通過(guò)建立力學(xué)模型，研究了被連接件磨損和壓潰、螺紋脫扣、橫向振動(dòng)等因素對(duì)螺栓連接失效的影響，并制定了控制措施。吳洪亮等[6]的研究分析也表明，被連接件的塌陷及連接剛度下降也是力矩衰減的重要因素。王賡[7]通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真和振動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)彈簧墊圈對(duì)螺栓防松性能無(wú)提升效果，并從螺栓固有特性、緊固摩擦力、預(yù)緊力穩(wěn)定性等方面提出了防松改進(jìn)措施；另外，權(quán)毅等人[8]的研究表明，溫度對(duì)螺栓緊固力矩的衰減影響較小。

圖2 力矩衰減的影響因素

目前，大多數(shù)車型的安全帶緊固件的物理屬性大體相同，表2列舉了某車型安全帶緊固件的材料及強(qiáng)度等級(jí)。車輛在使用過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷不同的路況環(huán)境，受到的沖擊振動(dòng)情況較為復(fù)雜；因此，文中在考慮其他影響因素?zé)o差異的情況下，主要對(duì)緊固組件的結(jié)構(gòu)不同狀態(tài)進(jìn)行討論分析。

表2 緊固件物理屬性

1.2 安全帶緊固結(jié)構(gòu)狀態(tài)

汽車安全帶按組件類別大致可分為卷收器、導(dǎo)向環(huán)、高調(diào)器、鎖扣等子件，不同零件的安裝點(diǎn)，因車身鈑金的強(qiáng)度性能要求不同，緊固處的結(jié)構(gòu)層狀態(tài)均有差異，如前文提到的某車型安全帶不同緊固位置的具體結(jié)構(gòu)見表3。

表3 不同位置緊固結(jié)構(gòu)層狀態(tài)

該車型的安全帶緊固點(diǎn)均采用7/16＂螺栓，強(qiáng)度8.8級(jí)，設(shè)計(jì)緊固力矩為(55±5) N·m，其中安全帶鎖扣的緊固結(jié)構(gòu)層相對(duì)較復(fù)雜，如圖3所示。

圖3 安全帶鎖扣緊固結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)安全帶不同零件部位的緊固結(jié)構(gòu)狀態(tài)差異狀態(tài)的梳理，結(jié)合以往研究者對(duì)螺栓緊固力矩衰減的分析經(jīng)驗(yàn)，初步認(rèn)為：緊固結(jié)構(gòu)層中的彈簧墊圈、平墊圈和車身鈑金結(jié)構(gòu)等件是導(dǎo)致高調(diào)器和鎖扣的螺栓出現(xiàn)較大力矩衰減的重要影響因素。

2 力矩衰減試驗(yàn)分析

為了探究彈簧墊圈、平墊圈和車身鈑金結(jié)構(gòu)3個(gè)因素對(duì)螺栓緊固力矩的影響性能，文中試驗(yàn)分別采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式，其中動(dòng)態(tài)試驗(yàn)使用三軸綜合電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)(如圖4所示)進(jìn)行測(cè)試。

圖4 綜合電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

2.1 彈簧墊圈和平墊圈影響分析

為了研究彈簧墊圈和平墊圈對(duì)緊固力矩的影響，試驗(yàn)采用相同批次的緊固件零件，對(duì)螺栓不同緊固狀態(tài)的樣件(4種組合方式，每種狀態(tài)測(cè)試5組數(shù)據(jù))按照設(shè)計(jì)力矩緊固后分別進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

其中，靜態(tài)試驗(yàn)是將不同樣件分別進(jìn)行靜置0.5天、1天、3天、5天、7天、15天后，測(cè)量對(duì)應(yīng)的力矩變化情況并取平均值，見表4；動(dòng)態(tài)測(cè)試是將不同狀態(tài)樣件通過(guò)工裝緊固在電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)施加一定的振幅和頻率振動(dòng)，且在X、Y、Z3個(gè)空間軸方向上進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)空間坐標(biāo)軸上的試驗(yàn)時(shí)間為8 h，見表5。

表4 螺栓不同緊固結(jié)構(gòu)的力矩變化情況(靜態(tài)) N·m

表5 螺栓不同緊固結(jié)構(gòu)的力矩變化情況(動(dòng)態(tài))

由表4、表5的數(shù)據(jù)可以得出：樣件在相同的力矩緊固后靜止放置，各組合樣件均出現(xiàn)不同程度的衰減，緊固初期力矩衰減較多，一定時(shí)間段內(nèi)力矩會(huì)增大，彈簧墊圈和平墊圈對(duì)靜態(tài)力矩的影響較小。

經(jīng)過(guò)24 h不同軸向的振動(dòng)試驗(yàn)后，螺栓的力矩衰減量較大，衰減量在30%左右，不同組合方式的力矩衰減程度出現(xiàn)較大差異。通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證得出：平墊圈對(duì)力矩的衰減基本無(wú)影響；彈簧墊圈對(duì)力矩衰減有著較大的影響，防松效果較差。莫易敏等[9]采用橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)彈簧墊圈在螺栓緊固效能進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，研究結(jié)果也表明彈簧墊圈在一定程度上會(huì)減弱防松效果。

2.2 車身鈑金結(jié)構(gòu)分析

安全帶總成不同子零件緊固在車身上的鈑金層數(shù)有差異，為探究其對(duì)螺栓緊固力矩的影響，從實(shí)車上切割不同部位的樣品，如圖5所示，螺栓均不帶彈簧墊圈和平墊圈。

將安全帶各零件按照設(shè)計(jì)力矩分別緊固在樣品上，工裝緊固于振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)施加一定的振幅和頻率振動(dòng)，且在X、Y、Z3個(gè)空間軸方向上進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)空間坐標(biāo)軸上的試驗(yàn)時(shí)間為8 h，試驗(yàn)后結(jié)果見表6。

圖5 車身切割的局部樣品

表6 不同鈑金層數(shù)的螺栓緊固振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表6的試驗(yàn)結(jié)果，安全帶各子件在完成24 h動(dòng)態(tài)振動(dòng)試驗(yàn)后力矩衰減為12.5～13.5 N·m，由此可看出車身鈑金層數(shù)對(duì)螺栓的緊固力矩衰減影響較小。

綜上，對(duì)比分析安全帶的緊固結(jié)構(gòu)狀態(tài)差異，通過(guò)靜動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究得出，平墊圈和鈑金結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)力矩衰減影響較小，彈簧墊圈在車體動(dòng)態(tài)振動(dòng)中對(duì)緊固力矩的衰減影響較大。

3 改善措施及驗(yàn)證

3.1 力矩衰減改善措施

早期螺栓緊固中使用彈簧墊圈，目的是防止由于嵌入導(dǎo)致的松動(dòng)，但在較大的預(yù)緊力作用下彈簧墊圈被壓平，它將失去彈性力的補(bǔ)償功能，對(duì)力矩衰減并無(wú)改善作用[10]。

對(duì)于力矩衰減的改善，目前方式較多，例如：采用對(duì)頂螺母或自鎖螺母的方式進(jìn)行摩擦防松；增加止動(dòng)墊圈或開口銷等件進(jìn)行機(jī)械防松；螺栓上增加螺紋鎖固膠破壞運(yùn)動(dòng)副連接防松；調(diào)整為多步擰緊、降低擰緊速度等工藝防松。

上述的不同防松方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前，在實(shí)際工程場(chǎng)景中，增加螺紋鎖固膠防松方法在汽車螺栓防松方法中應(yīng)用較多，螺紋鎖固膠在螺栓擰緊后固化在螺紋副間形成一層膠膜，起到密封和鎖固的作用，阻止螺栓的回轉(zhuǎn)松動(dòng)，大大提升螺栓的防松效果[11-12]。但螺紋鎖固膠基本屬于一次性用品，螺栓在緊固后重復(fù)擰出使用，防松的性能將會(huì)大大降低。

為改善安全帶緊固件的力矩衰減問(wèn)題，在不增加零件成本和裝配工時(shí)的情況下，結(jié)合上述分析結(jié)果和以往研究者經(jīng)驗(yàn)，可采取的措施為：將螺栓組件中的彈簧墊圈取消掉，選用細(xì)牙螺紋的螺栓，控制好被連接件的制作加工精度。

3.2 實(shí)車驗(yàn)證

為驗(yàn)證去掉彈簧墊圈改善方案的實(shí)車效果，選擇了2臺(tái)車輛對(duì)力矩衰減較嚴(yán)重的鎖扣緊固點(diǎn)進(jìn)行路試測(cè)驗(yàn)，試驗(yàn)效果見表7。將原車的螺栓拆除彈簧墊圈處理后，裝配好鎖扣緊固進(jìn)行路試，車輛每行駛1圈后立即進(jìn)行力矩測(cè)量，于常溫狀態(tài)下放置5 min后再次測(cè)量力矩值。

表7 改善方案路試效果

實(shí)車路試結(jié)果表明：螺栓組件原結(jié)構(gòu)中取消彈簧墊圈后，力矩衰減問(wèn)題有明顯的改善，且每圈路試后的力矩波動(dòng)較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析，彈簧墊圈的使用是導(dǎo)致安全帶緊固力矩衰減的主要原因，平墊圈對(duì)力矩衰減基本無(wú)影響；

(2)車身鈑金的焊接層數(shù)對(duì)螺栓緊固力矩衰減影響較??；

(3)實(shí)車路試驗(yàn)證，取消彈簧墊圈對(duì)力矩衰減現(xiàn)象有明顯的改善作用，建議在后續(xù)其他車型上推廣應(yīng)用。