汽車用接地緊固件的研究與應(yīng)用

收稿日期：2024-05-14

作者簡(jiǎn)介

楊智清（1985—），男，工程師，主要從事汽車緊固系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

【摘 要】文章主要介紹汽車用接地緊固件的研究與應(yīng)用。首先討論接地緊固件在汽車中的作用和重要性，包括提高車輛的安全性能、減少電磁干擾以及滿足法規(guī)要求；其次，概述不同類型的接地緊固件（如刮漆螺栓、組合式螺栓、自攻螺栓等），并分析其優(yōu)缺點(diǎn)；然后重點(diǎn)介紹新型接地緊固件的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，如Taptite2000自攻螺栓的應(yīng)用，以及這些技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)；最后對(duì)目前汽車用接地緊固件的研究進(jìn)展和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)，并提出進(jìn)一步研究的方向。

【關(guān)鍵詞】接地緊固件；導(dǎo)電性；自攻螺栓

中圖分類號(hào)：U463.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）07-0054-03

Research and Application of Grounding Fasteners for Automobiles

YANG Zhiqing，TANG Jun，CHENG Haifeng，CHEN Hu

（Geely Automobile Research Institute（Ningbo）Co.，Ltd.，Ningbo 315000，China）

【Abstract】This article introduces the research and application of grounding fasteners for automobiles. Firstly，the role and importance of grounding fasteners in automobiles are discussed，including improving vehicle safety performance，reducing electromagnetic interference，and meeting regulatory requirements. Then，different types of grounding fasteners such as paint-removing bolts，combination bolts，self-tapping screws，etc. are briefly described，and their advantages and disadvantages are analyzed. Next，the design and manufacturing technology of new grounding fasteners is mainly introduced，such as the application of Taptite2000 self-tapping screws，as well as the advantages and challenges brought by these technologies. Finally，a summary of the current research progress and future development trends of grounding fasteners for automobiles is presented，and further research directions are proposed.

【Key words】grounding fastener；conductivity；self-tapping screw

汽車接地緊固件是汽車電氣系統(tǒng)中不可或缺的一部分，其作用是將電氣設(shè)備的外露導(dǎo)電部分及裝置外導(dǎo)電部分通過(guò)導(dǎo)電線束與車身連接起來(lái)，形成一個(gè)良好的接地回路，如圖1所示。本文旨在介紹3種常用的接地緊固件，分別對(duì)其結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析說(shuō)明。隨著新能源汽車的發(fā)展以及對(duì)整車輕量化目標(biāo)的不斷挑戰(zhàn)，鋁合金等車身材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛，新型接地緊固件的應(yīng)用推廣顯得尤為重要。

1 汽車用接地緊固件的作用與重要性

1.1 提高車輛的安全性能

汽車上電氣設(shè)備及裝置的導(dǎo)電線束雖然看起來(lái)比電源線少得多，但卻占據(jù)著重要地位，因?yàn)槠囀沁\(yùn)動(dòng)的交通工具，特別是各種條件惡劣的顛簸工況，以及外部環(huán)境對(duì)汽車整車及外露零部件的侵蝕，通常容易出現(xiàn)搭鐵不良或者線路斷路的情況，輕則影響汽車某方面的功能，重則使汽車癱瘓[1]。

接地緊固件分布在汽車全身，主要集中在儀表板管梁、車身底板、前機(jī)艙等部位，有些接地部位容易沾泥水﹑油污或生銹，這些情況都可能引起搭鐵不良，從而出現(xiàn)功能故障。例如搭鐵點(diǎn)處的車身上有漆、發(fā)動(dòng)機(jī)搭鐵線緊固件松動(dòng)等，這些都會(huì)導(dǎo)致搭鐵不良，嚴(yán)重影響用電器的正常工作。

1.2 減少電磁干擾

汽車上一些小電流信號(hào)（如模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等），信號(hào)一般比較敏感，容易被干擾。對(duì)于娛樂(lè)系統(tǒng)天線及高電壓工作用電器，由于其工作過(guò)程中對(duì)周圍電磁場(chǎng)影響較大，必須采用接地導(dǎo)線，以達(dá)到保證接收信號(hào)準(zhǔn)確，且對(duì)周圍線束電磁場(chǎng)影響最小的作用，例如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈供電回路。針對(duì)這些位置，采用接地緊固件能夠很好地解決應(yīng)用問(wèn)題[1]。

1.3 滿足法規(guī)要求

汽車用接地緊固件是保障汽車安全運(yùn)行的重要部件，其作用是安全可靠地固定接地線束，將車輛各個(gè)部分與大地相連，形成一個(gè)良好的接地系統(tǒng)。無(wú)論是美國(guó)法規(guī)要求《美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS 609》、歐盟法規(guī)要求《歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì) ECE R100》，還是中國(guó)法規(guī)要求《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件GB 7258—2017》《機(jī)械電氣安全 機(jī)械電氣設(shè)備 第1部分 通用技術(shù)條件GB/T 5226.1—2019》等，這些標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)汽車接地緊固件提出了各種性能要求，目的就是最大程度保證汽車安全。

總體而言，不同國(guó)家和地區(qū)可能有不同的汽車接地緊固件法規(guī)要求，因此，在設(shè)計(jì)和制造汽車接地緊固件時(shí)，需要了解并符合相應(yīng)地區(qū)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

2 不同類型的汽車用接地緊固件及其特點(diǎn)

常用的接地緊固件有刮漆螺栓、組合式螺栓、自攻螺栓3種。其各有特點(diǎn)，工程師根據(jù)設(shè)計(jì)需求、應(yīng)用環(huán)境和成本因素等維度綜合評(píng)估進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

2.1 刮漆螺栓

刮漆螺栓的螺紋末端設(shè)計(jì)了若干個(gè)刮漆槽，刮漆槽的數(shù)量主要根據(jù)螺栓的螺紋規(guī)格來(lái)確定，例如M6規(guī)格的螺栓一般設(shè)計(jì)1個(gè)刮漆槽。在螺紋桿部有一組對(duì)稱的壓痕。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)特征是刮漆螺栓接地功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵[2]。

刮漆螺栓在擰緊的過(guò)程中，依靠螺紋末端刮漆槽刮除車身焊接螺母內(nèi)螺紋上的電泳漆層，電泳漆殘?jiān)樦附勇菽竷?nèi)螺紋孔脫落，如果內(nèi)螺紋是盲孔，則需要設(shè)計(jì)出足夠長(zhǎng)的深度余量，用于容納刮除的電泳漆殘?jiān)?。螺紋桿部對(duì)稱的一組壓痕位置根據(jù)實(shí)際裝配環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般應(yīng)處于內(nèi)外螺紋嚙合位置，在螺栓擰緊后，壓痕部位螺紋因?yàn)樽冃危c內(nèi)螺紋產(chǎn)生過(guò)盈配合，具有一定的鎖緊作用。

刮漆螺栓如圖2所示，結(jié)構(gòu)為六角頭螺栓和平墊圈組合件，表面處理為電鍍鋅。通常為了保證良好的導(dǎo)電性能，電鍍表面處理不涂封閉劑。

2.2 組合式螺栓

組合式接地緊固件供貨狀態(tài)為螺栓和螺母組合起來(lái)一起送到生產(chǎn)線，直接焊接到白車身上。然后隨白車身經(jīng)過(guò)電泳、油漆，在總裝車間，緊固搭鐵端子時(shí)，先將螺母擰出，固定好端子，再擰緊螺母。

在涂裝車間經(jīng)過(guò)電泳、油漆工藝時(shí)，螺母與螺栓螺紋嚙合部位無(wú)電泳液和油漆浸入，保證了良好的導(dǎo)電接觸。需要注意的是，螺母端面與螺栓端面要保證完全貼合，避免涂裝過(guò)程中兩個(gè)端面間浸入異物，造成導(dǎo)電不良。

組合式螺栓如圖3所示，在焊接前，螺栓和螺母通過(guò)規(guī)定扭矩工藝組裝在一起。表面處理為電鍍鋅鎳合金本色鈍化，防腐性能較高。

2.3 自攻螺栓

自攻螺栓的螺紋桿呈三棱形，螺栓末端自攻螺紋區(qū)經(jīng)過(guò)感應(yīng)淬火，表面硬度非常高。同時(shí)在自攻螺紋區(qū)有若干個(gè)斜置的刮漆槽，斜置刮漆槽的數(shù)量主要根據(jù)螺栓的螺紋規(guī)格來(lái)確定，例如M6規(guī)格的螺栓一般設(shè)計(jì)4個(gè)刮漆槽。

自攻螺栓在擰緊的過(guò)程中，自攻螺紋區(qū)硬度高于被連接件，被連接件的配合孔被擠壓形成相應(yīng)的螺紋，緊固過(guò)程中基本沒(méi)有金屬碎屑產(chǎn)生，但是斜置刮漆槽會(huì)將經(jīng)過(guò)涂裝的車身油漆清除掉，從而實(shí)現(xiàn)接觸導(dǎo)電功能。

自攻螺栓（圖4）按照規(guī)定扭矩?cái)Q入對(duì)配件中，表面處理為電鍍鋅鎳合金本色鈍化，防腐性能較高。

2.4 3種接地緊固件特點(diǎn)對(duì)比

接地緊固件特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。表1從牢固性、安裝工時(shí)、定位性、搭鐵效果和成本等維度對(duì)3種接地緊固件進(jìn)行比較。

綜合來(lái)說(shuō)，刮漆螺栓應(yīng)用較普遍，在一些要求不是很高的安裝環(huán)境，例如車身內(nèi)部線束的接地點(diǎn)，這些位置不承受大載荷或者沖擊載荷，也不容易接觸到腐蝕雜質(zhì)等惡劣環(huán)境，所以能滿足基本的接地導(dǎo)電性能即可。組合式螺栓和自攻螺栓表面處理防腐性能較高，一般用在車身外部，例如機(jī)艙線束或者底盤(pán)部位的接地點(diǎn)，這些位置容易受到外部液體、泥污、道路鹽侵害，所以除了滿足基本的接地導(dǎo)電性能外，還要提高螺栓的抗腐蝕能力。

組合式螺栓因?yàn)槭菍⒙菟^焊接到車身鈑金上，采用螺柱焊植Cqa0mUt/6AmQ3ufLY2QAPA==焊工藝，車身鈑金不需要開(kāi)通孔。這樣在一些車身鈑金無(wú)法開(kāi)孔焊接螺母的位置進(jìn)行應(yīng)用，保證了車身內(nèi)外密封效果。例如機(jī)艙前圍板上的接地點(diǎn)大量采用組合式螺栓。

在一些工況復(fù)雜的位置，例如被緊固的電器件承受較大載荷或者沖擊載荷，優(yōu)先采用自攻螺栓，因?yàn)樽怨ヂ菟ㄔ跀Q緊到對(duì)配件上后，對(duì)配件的內(nèi)螺紋和自攻螺栓的外螺紋配合間隙最小，有一定的鎖緊功能，因此牢固性好，提高了緊固可靠性[3]。

3 新型汽車用接地緊固件的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

相對(duì)于刮漆螺栓、組合式螺栓都需要在車身上進(jìn)行焊接施工，而自攻螺栓可以直接和車身上的基孔進(jìn)行連接達(dá)到接地導(dǎo)電功能。這里自攻螺栓接地緊固件特指Taptite2000自攻螺栓。Taptite2000自攻螺栓應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是輕量化材料鋁合金車身上，接地緊固件選用自攻螺栓，裝配效率得到提升，同時(shí)因?yàn)樽怨ヂ菟ň哂墟i緊性能，連接可靠性也得到提升。

3.1 自攻螺栓設(shè)計(jì)

自攻螺栓的頭部驅(qū)動(dòng)型式一般為六角法蘭面結(jié)構(gòu)，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)六角法蘭面螺栓產(chǎn)品相比，相同螺紋規(guī)格的六角對(duì)邊尺寸要大一個(gè)檔，例如M6規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)六角法蘭面螺栓六角對(duì)邊尺寸為8mm，而M6規(guī)格的自攻螺栓六角對(duì)邊尺寸為10mm。這樣設(shè)計(jì)的目的主要是為了在生產(chǎn)線上和同規(guī)格的普通螺栓進(jìn)行防錯(cuò)，避免操作者拿錯(cuò)零件或者安裝到錯(cuò)誤的位置。

自攻螺栓的螺紋桿設(shè)計(jì)成三棱形，在攻入對(duì)手件基體材料時(shí)，讓對(duì)手件基體材料受擠壓變形，變形過(guò)程中材料延展流動(dòng)更加順暢，形成與螺栓規(guī)格相對(duì)應(yīng)的內(nèi)螺紋[4]，如圖5所示。

自攻螺栓的末端螺紋區(qū)域經(jīng)過(guò)感應(yīng)淬火。感應(yīng)淬硬區(qū)必須包括整個(gè)自攻螺紋區(qū)，且第1顆完整螺紋的淬硬層深度在螺紋小徑往中心線距離0.2mm以上，如圖6所示陰影部分。如果具有特殊的導(dǎo)向端，第3顆完整螺紋應(yīng)盡可能在感應(yīng)淬硬區(qū)內(nèi)。

3.2 自攻螺栓制造技術(shù)

自攻螺栓的原材料需要采用中碳合金鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理后機(jī)械性能為10.9級(jí)，關(guān)鍵工藝是Taptite2000自攻螺紋成型和末端螺紋區(qū)域感應(yīng)淬火。

Taptite2000自攻螺紋是一種創(chuàng)新的三角桿螺紋設(shè)計(jì)，即圓弧螺紋，比普通三角桿螺紋緊固件性能更好，保留三角螺紋形狀的原理的同時(shí)，增加了圓弧。因此，Taptite2000自攻螺紋緊固件具有更卓越的機(jī)械性能、裝配性能和降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的特性。該螺紋成型需要定制特殊的搓絲板工裝，通過(guò)增加末端螺紋的不圓度，大大降低了攻入扭矩。以M6規(guī)格自攻螺栓為例，普通三角桿螺紋緊固件攻入扭矩10N·m，Taptite2000自攻螺紋緊固件的攻入扭矩只需要6N·m。

為了攻入無(wú)內(nèi)螺紋的對(duì)手件基體材料中，自攻螺紋區(qū)域局部進(jìn)行了高頻感應(yīng)淬硬。最后自攻螺栓經(jīng)過(guò)電鍍表面處理，不涂封閉劑或者浸涂導(dǎo)電性封閉劑。

當(dāng)前行業(yè)應(yīng)用較普遍的自攻螺栓螺紋是Taptite2000專利螺紋，故單顆螺栓的成本也較高，但是從整個(gè)緊固系統(tǒng)來(lái)看，這種自攻螺栓的綜合使用成本更低[4]。

就3種接地緊固件來(lái)說(shuō)，自攻螺栓也有它的局限性，在車身鈑金不能開(kāi)孔的情況下自攻螺栓無(wú)法應(yīng)用，應(yīng)選擇組合式螺栓。再者，Taptite2000專利螺紋附加成本對(duì)小批量用戶來(lái)說(shuō)是一個(gè)負(fù)擔(dān)，這需要通過(guò)其他地方，例如提升總成零件附加值，來(lái)進(jìn)行平衡。

4 結(jié)論

汽車接地緊固件設(shè)計(jì)選用應(yīng)考慮具體的安裝使用環(huán)境，最重要的是保證導(dǎo)電性，提供安全可靠的接地性能，能夠在特定場(chǎng)景解決電磁干擾問(wèn)題，同時(shí)還要滿足安全法規(guī)要求。自攻螺栓（Taptite2000專利螺紋）雖然有其優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)前單件成本還相對(duì)較高，需要持續(xù)擴(kuò)大行業(yè)應(yīng)用范圍以期分?jǐn)偝杀荆蛘哐邪l(fā)出替代產(chǎn)品。組合式螺栓可以解決車身鈑金不開(kāi)孔的搭鐵點(diǎn)接地問(wèn)題，保證密封效果。刮漆螺栓滿足一般的車身內(nèi)部線束接地要求。

無(wú)論是哪一種接地緊固件，都面臨耐腐蝕的問(wèn)題，在較惡劣的應(yīng)用環(huán)境中，表面處理防護(hù)就顯得很關(guān)鍵，目前行業(yè)內(nèi)采用電鍍鋅鎳較普遍，但是在工作狀態(tài)下，通電的接地緊固件和線束及車身鈑金形成原電池閉合回路，極大加速了腐蝕程度，新的防腐材料和工藝需要進(jìn)一步研究。

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（編輯 凌 波）