汽車輪轂螺母擰緊扭矩分析及質(zhì)量控制

彭守桃，李平

(1.湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南長沙 410100；2.三一重工股份有限公司，湖南長沙 410100)

0 引言

螺紋連接是汽車總裝零部件最廣泛的連接方式之一，使被連接零部件緊密貼合且有足夠的軸向預(yù)緊力并能承受一定的動(dòng)載荷[1]。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，螺栓連接副的夾緊力測量困難，因此將扭矩作為螺栓連接裝配質(zhì)量的間接評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)國家市場監(jiān)督管理局發(fā)布的2019年汽車召回信息，國內(nèi)各汽車生產(chǎn)企業(yè)因安全隱患被召回222批，召回缺陷汽車共計(jì)700萬輛，因緊固件連接失效、扭矩不符合要求等緊固件質(zhì)量問題引起汽車召回24批，約18.47萬輛，主要存在扭矩控制方法不正確，控制工藝不規(guī)范，過程檢測方法不妥等引起螺栓回彈或螺母回轉(zhuǎn)，軸向力下降，造成緊固件松動(dòng)承受沖擊動(dòng)能而失效，影響整車質(zhì)量可靠性。因此，通過提升整車擰緊裝配質(zhì)量,進(jìn)而推動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展已迫在眉睫。

1 螺紋連接技術(shù)

1.1 螺紋連接原理

螺紋連接是利用擰緊螺母或內(nèi)螺紋使螺栓形成彈性變形而產(chǎn)生軸向拉力，通過軸向力、剪切力和夾緊力復(fù)合作用，起到緊固零件并保證其聯(lián)接強(qiáng)度，如圖1所示。

圖1 螺紋連接受力示意

根據(jù)緊固扭矩、夾緊力與摩擦力的關(guān)系：

(1)

對(duì)同一種螺紋緊固件施加相同的扭矩時(shí)，受螺栓副摩擦因數(shù)的影響，緊固件夾緊力有時(shí)偏高(低摩擦)，有時(shí)偏低(高摩擦)。螺紋連接中施加一定的擰緊扭矩，不同的摩擦因數(shù)分配到螺紋副、螺紋斷面和夾緊力三部分的消耗功不同，一般情況，螺紋端面摩擦占50%，螺紋副端面摩擦占40%，僅10%扭矩轉(zhuǎn)化為夾緊力，摩擦因數(shù)與夾緊力成反比。因此可以通過控制螺栓連接摩擦因數(shù)在一定范圍，從而控制夾緊力在可接受范圍內(nèi)。

1.2 螺栓擰緊技術(shù)

在裝配過程中，常用的螺栓擰緊方法主要包括:扭矩控制法、扭矩-轉(zhuǎn)角控制法、屈服點(diǎn)控制法[2]等。

1.在人防上，各油區(qū)成立了護(hù)衛(wèi)隊(duì)。由精明強(qiáng)干具有較高專業(yè)技術(shù)素質(zhì)的隊(duì)員組成，并制定出相關(guān)的《工作質(zhì)量考核要求》、《巡邏隊(duì)員職責(zé)》等制度，定期對(duì)巡邏隊(duì)員培訓(xùn)和考核，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理。工作中，要運(yùn)用“七種方式”即：巡回式、埋伏式、封卡式、拉網(wǎng)式、包剿式、卡堵式和聯(lián)動(dòng)式，對(duì)油區(qū)的重點(diǎn)井、重點(diǎn)區(qū)塊、重點(diǎn)車輛、油線和重點(diǎn)路口實(shí)行全天監(jiān)控，白天巡邏，遇到特殊情況加密巡邏次數(shù)，責(zé)任落實(shí)到人。夜晚采取爬窩守候、設(shè)卡埋伏、圍攻堵截等措施。同時(shí)，油區(qū)發(fā)生緊急案情時(shí)，無論白天還是夜晚，隊(duì)員們必須在5－10分鐘內(nèi)立即趕到現(xiàn)場，及時(shí)處理突發(fā)事件，要做到事不過時(shí)。才能有力地打擊不法分子的囂張氣焰。

1.1.1 扭矩控制法

扭矩控制法是在螺栓彈性區(qū)域內(nèi)，利用扭矩值與預(yù)緊力的線性關(guān)系，通過控制緊固扭矩間接地控制軸向預(yù)緊力，是應(yīng)用最廣泛的一種擰緊控制方法。該方法操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)、對(duì)設(shè)備要求不高，預(yù)緊力精度較低約為±25%，一般用于非關(guān)鍵部位。

1.1.2 扭矩-轉(zhuǎn)角控制法

此方法通過測量扭矩和轉(zhuǎn)角兩個(gè)參數(shù)，控制扭矩的同時(shí)，用緊固轉(zhuǎn)角參數(shù)對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行監(jiān)控控制。該方法控制系統(tǒng)較復(fù)雜,但預(yù)緊力精度較高約為±15%，一般用于重要的裝配部位。

1.1.3 屈服點(diǎn)控制法

該方法可以最大限度地利用螺栓強(qiáng)度，通過對(duì)擰緊扭矩/角度曲線斜率的連續(xù)計(jì)算和判斷，同時(shí)測試螺紋副裝配扭矩和螺紋擰緊轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化量，是一種高精度的擰緊方法，預(yù)緊力精度約為±5%，對(duì)擰緊設(shè)備的要求較高，一般用于關(guān)鍵部位。

2 動(dòng)、靜態(tài)扭矩定義及特征

根據(jù)緊固件擰緊的不同過程，不同扭矩檢測時(shí)間，結(jié)果和作用，擰緊扭矩分為動(dòng)態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩。動(dòng)態(tài)扭矩不等于靜態(tài)扭矩，動(dòng)態(tài)扭矩用于生產(chǎn)，控制擰緊過程，而靜態(tài)扭矩用于檢驗(yàn)，監(jiān)控生產(chǎn)過程穩(wěn)定性[3]。動(dòng)態(tài)扭矩與靜態(tài)扭矩既有區(qū)別又有聯(lián)系，其擰緊的最終目的是獲得穩(wěn)定的，足夠的夾緊力，因此兩種扭矩值都非常重要。

2.1 動(dòng)態(tài)扭矩

動(dòng)態(tài)扭矩(Dynamic Torque)是指緊固件在緊固過程中,由緊固動(dòng)力工具設(shè)定或由其傳感器測得的緊固過程扭矩的最大值。一般來說，動(dòng)態(tài)扭矩用于標(biāo)定動(dòng)力工具的力矩，在生產(chǎn)過程中測量的，又稱為工藝扭矩。測量動(dòng)態(tài)扭矩是要確保擰緊過程中的扭矩合格。

2.2 靜態(tài)扭矩

根據(jù)《GB/T 26547—2011 螺紋緊固件用回轉(zhuǎn)工具性能試驗(yàn)方法》，螺紋副之間的聯(lián)接結(jié)構(gòu)存在3種連接方式：軟連接、硬連接和中性連接[4]，不同連接方式扭矩衰減程度不同。根據(jù)汽車行業(yè)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)，靜態(tài)扭矩和動(dòng)態(tài)扭矩受連接方式，靜態(tài)摩擦力和彈性衰減的綜合影響，呈現(xiàn)以下規(guī)律性：軟連接，因材料受力發(fā)生蠕變，產(chǎn)生扭矩彈性衰減，靜態(tài)扭矩一般低于動(dòng)態(tài)扭矩；硬連接，因靜摩擦力作用，靜態(tài)扭矩一般高于動(dòng)態(tài)扭矩；中性連接，靜態(tài)扭矩與動(dòng)態(tài)扭矩相當(dāng)。當(dāng)出現(xiàn)靜態(tài)扭矩值小于動(dòng)態(tài)扭矩時(shí)，則認(rèn)為扭矩存在衰減。扭矩衰減不能完全消除，同時(shí)，扭矩衰減也未必說明連接失效，只需保證生產(chǎn)過程中控制扭矩衰減后的夾緊力不低于設(shè)計(jì)夾緊力的標(biāo)準(zhǔn)下限即可保證連接可靠性。

3 靜態(tài)扭矩的評(píng)價(jià)方法

3.1 靜態(tài)檢測扭矩判定標(biāo)準(zhǔn)

參考DIN 2862標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)汽車的安全性、法規(guī)性、功能重要性的影響程度，將汽車螺栓裝配扭矩等級(jí)分為A、B、C 3類，A類安全連接螺栓是螺栓失效后，直接或間接危及乘員以及行人的生命安全；B類關(guān)鍵連接螺栓，螺栓功能失效后可能導(dǎo)致車輛的某一功能下降或喪失；C類一般螺栓連接，螺栓失效后會(huì)引起客戶抱怨。同時(shí)根據(jù)《某公司裝配扭矩控制管理辦法》，不同等級(jí)的靜態(tài)檢測扭矩判定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 靜態(tài)檢測扭矩判定標(biāo)準(zhǔn)

3.2 車輪螺母擰緊扭矩分析

3.2.1 擰緊站的工作原理

某汽車公司的輪胎自動(dòng)擰緊站是由輪胎輸送鏈上料、機(jī)器人抓取、視覺定位、自動(dòng)擰緊安裝組成的自動(dòng)化工作站，工作平面圖如圖2所示，其視覺系統(tǒng)采用雙目視覺原理、通過相機(jī)拍照汽車剎車盤，運(yùn)用3D算法引導(dǎo)ABB機(jī)器人按照設(shè)定軌跡與Bosch擰緊軸系統(tǒng)配合啟動(dòng)擰緊軸，5個(gè)輪胎安裝螺母同步擰緊，控制界面如圖3所示。

圖2 工作平面圖

圖3 控制界面

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

某款SUV輪胎總成裝配結(jié)構(gòu)如圖4所示，車輪輪轂由5顆10.9級(jí)M12×1.5螺母緊固，產(chǎn)品工程師發(fā)布鋼質(zhì)輪轂螺母動(dòng)態(tài)扭矩為(94±4)N·m，擰緊扭矩為A類關(guān)鍵特性。生產(chǎn)階段，通過Bosch多軸輪胎擰緊系統(tǒng),轉(zhuǎn)速：200 r/min，扭矩范圍70～320 Nm，系統(tǒng)扭矩等級(jí)Ⅰ精度±3%，設(shè)定擰緊扭矩為94 N·m，采用二次擰緊法實(shí)現(xiàn)5個(gè)螺母同步擰緊。

圖4 車輪總成裝配圖

確認(rèn)聯(lián)接件、螺紋副、擰緊設(shè)備、操作方法等均處于穩(wěn)定狀態(tài)下，分別通過擰緊系統(tǒng)控制柜實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)扭矩對(duì)過程能力穩(wěn)定性進(jìn)行檢查，同時(shí)質(zhì)量工程師在5 min內(nèi)通過數(shù)顯扭力扳手采集30組，每組5個(gè)靜態(tài)扭矩值，記錄結(jié)果見表2。

表2 螺母靜態(tài)扭矩檢測值 N·m

3.2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

3.2.4 過程穩(wěn)定性和結(jié)果有效性的判定

對(duì)于上述采集的靜態(tài)扭矩?cái)?shù)據(jù)，對(duì)其擰緊過程的穩(wěn)定性進(jìn)行SPC分析，標(biāo)示靜態(tài)扭矩中心線CL、上控制限UCL、下控制限LCL，繪制圖5所示螺母的Xbar-R圖，根據(jù)SPC判異準(zhǔn)則及表1中靜態(tài)檢測扭矩判定標(biāo)準(zhǔn)，可以看出，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定受控，無異常。

圖5 螺母Xbar-R控制圖

根據(jù)《DB45T 1836—2018 汽車緊固件設(shè)計(jì)扭矩驗(yàn)證方法及判定規(guī)則》對(duì)動(dòng)態(tài)扭矩上、下限值進(jìn)行變異判定，滿足靜態(tài)扭矩的名義值不超過動(dòng)態(tài)扭矩下限值±20%，且滿足靜態(tài)扭矩的名義值不超過動(dòng)態(tài)扭矩上限值±30%，即

4 靜態(tài)扭矩范圍的計(jì)算

由靜態(tài)扭矩?cái)?shù)值可以看出，靜態(tài)扭矩范圍比動(dòng)態(tài)扭矩范圍大，因?yàn)殪o態(tài)扭矩測定過程中克服較高的靜態(tài)摩擦力，同時(shí)存在測量偏差，因此，硬連接靜態(tài)扭矩一般大于動(dòng)態(tài)扭矩。

4.1 確定靜態(tài)扭矩的目標(biāo)值

針對(duì)多軸擰緊系統(tǒng)擰緊多個(gè)工藝要求和聯(lián)接狀態(tài)基本一致的，進(jìn)行合并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集計(jì)算得出，螺母1～5的動(dòng)態(tài)扭矩為94 N·m，靜態(tài)扭矩為108 N·m，對(duì)于此種螺母螺紋副硬連接的特點(diǎn)，可以在動(dòng)態(tài)扭矩的基礎(chǔ)上增大10%～15%，可近似定義為靜態(tài)扭矩目標(biāo)值，增加的范圍根據(jù)動(dòng)態(tài)扭矩目標(biāo)值越大取上限值，目標(biāo)值越小取下限值。

4.2 確定檢查扭矩的控制范圍

動(dòng)、靜態(tài)扭矩公差值及測量值的關(guān)系如圖6所示[5]，a為動(dòng)態(tài)扭矩的公差值；b為靜態(tài)扭矩的公差值；c為測量誤差值，其大小為動(dòng)態(tài)扭矩目標(biāo)值乘以測量誤差，其關(guān)系見表3。可以近似得出，a、b和c之間滿足a2+b2=c2。

圖6 動(dòng)、靜態(tài)扭矩的關(guān)系圖

表3 連接性質(zhì)與測量偏差、測量誤差的關(guān)系

在沒有采集測量數(shù)據(jù)初期，靜態(tài)扭矩范圍的初步確定可根據(jù)豐田汽車扭矩經(jīng)驗(yàn)公式，考慮不同的連接性質(zhì)、測量誤差及測量器具精度，依據(jù)表3硬性連接值測量偏差d=15%，測量誤差e=±20%，則靜態(tài)扭矩的目標(biāo)值為Td×(1+d)=94×(1+15%)=108.1≈108 N·m ，靜態(tài)扭矩的公差

式中:Td,m和Ts,m分別為動(dòng)、靜態(tài)扭矩的公差，則靜態(tài)扭矩的檢測范圍為(108±19)N·m。

則對(duì)于輪轂螺母螺紋副硬性連接，靜態(tài)扭矩目標(biāo)值約為動(dòng)態(tài)扭矩目標(biāo)值的1.1～1.15倍。根據(jù)測量誤差，動(dòng)態(tài)扭矩公差和靜態(tài)扭矩公差的關(guān)系，初步計(jì)算出靜態(tài)扭矩的公差，即確定靜態(tài)扭矩的控制范圍。

5 結(jié)束語

緊固件擰緊扭矩是保證汽車裝配質(zhì)量最重要關(guān)鍵特性之一，不同的連接件材料，不同的擰緊順序、擰緊速度、連接件材料硬度和表面摩擦因數(shù)，直接影響扭矩衰減程度和靜態(tài)扭矩穩(wěn)定性。緊固件扭矩的控制，不僅要控制緊固過程的動(dòng)態(tài)扭矩，而且靜態(tài)扭矩的過程測量和數(shù)據(jù)分析也是扭矩控制過程的關(guān)鍵。

文中對(duì)大量靜態(tài)扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和測量，強(qiáng)調(diào)在沒有測量數(shù)據(jù)和有一定測量數(shù)據(jù)的不同階段采用不同靜態(tài)扭矩計(jì)算方法，結(jié)合動(dòng)、靜態(tài)扭矩的換算方法，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式的可行性和正確性。該方法可借鑒用于新車型整車裝配扭矩開發(fā)并在確保整車裝配扭矩質(zhì)量的前提下，提高準(zhǔn)確性和可靠性。