汽車線束用搭鐵螺栓規(guī)格選型與鈑金厚度匹配的研究

【摘 要】文章詳細介紹汽車行業(yè)用于緊固整車線束接地端子、現(xiàn)行主流的專用搭鐵螺栓的特殊結(jié)構(gòu)及其如何輔助線束實現(xiàn)有效接地的工作機理，通過建模及專項驗證，測量搭鐵螺栓的一項特殊結(jié)構(gòu)嚙合在鈑金焊接螺母不同位置時的接觸電阻情況，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、對比、分析，進而推導出不同規(guī)格的搭鐵螺栓與不同厚度鈑金上搭鐵點的適用、匹配關(guān)系，為新車型在工程設(shè)計階段對搭鐵螺栓在車身不同位置（主要鈑金厚度差異，如側(cè)圍、縱梁）的使用選型提供可靠的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】汽車線束；接地；搭鐵螺栓；規(guī)格選型；鈑金；厚度匹配

中圖分類號：U463.62 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）10-0029-04

Study on Specification Selection and Sheet Metal Thickness Matching of Bolt for Automobile Wire Beam

SONG Xianping，ZHANG Man，LIU Dan，LIU Chang，WANG Siyu

（Dongfeng Off-road Vehicle Co.，Ltd.，Shiyan 442000，China）

【Abstract】This paper introduces in detail the special structure of the current mainstream special bonding bolt used in the automotive industry to fasten the grounding terminal of the vehicle wire harness and the working mechanism of how to assist the wiring harness to achieve effective grounding. Through modeling and special verification，the contact resistance of a special structure of the bonding bolt when engaged in different positions of the sheet metal welding nut is measured. Through data statistics，comparison and analysis，the application and matching relationship between different specifications of bonding bolts and bonding points on sheet metal of different thicknesses are derived，which provides a reliable basis for the use and selection of bonding bolts in different positions of the body（main sheet metal thickness differences，such as side wall and longitudinal beam）in the engineering design stage of new models.

【Key words】automobile wiring harness；ground；building iron bolts；specification selection；sheet metal；thickness matching

作者簡介

宋先平（1987—），男，工程師，主要從事電氣工藝方面的工作。

隨著汽車行業(yè)日趨智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化、共享化的飛速發(fā)展，車輛電氣功能高度集成，自動駕駛水平也越來越高，在“彩電、冰箱、大沙發(fā)、移動影院”等技術(shù)加持下，整車的舒適性也有了質(zhì)的飛躍，而這一切功能的實現(xiàn)都離不開一個個控制器的控制。隨著汽車逐漸成為除了家、公司以外的第3個“常居地”，整車行駛的安全性，尤其控制器運行的可靠性要求也更加嚴苛。而為了保障各控制器的可靠運行，控制器自身不僅要具備強大算法的軟實力，還要有過硬的硬件實力。另外，控制器通過整車線束在車身不同位置（如側(cè)圍、縱梁）接地的可靠性同樣是不可回避的關(guān)鍵指標。

本文將圍繞汽車線束接地可靠性簡述線束在車身上搭鐵方式的演變，重點介紹現(xiàn)行主流搭鐵螺栓的特殊結(jié)構(gòu)，并通過建模對搭鐵螺栓特殊結(jié)構(gòu)嚙合在焊接螺母內(nèi)螺紋不同位置時的導電效果進行測量對比，根據(jù)試驗結(jié)果，最終給出在車身不同位置、不同厚度鈑金上搭鐵螺栓規(guī)格選型的建議。

1 汽車線束搭鐵方式

1.1 現(xiàn)有汽車線束搭鐵方式簡介

通過實地考察、技術(shù)咨詢等方式，了解并匯總了汽車行業(yè)當前普遍應(yīng)用的3種線束搭鐵方式，即使用鋸齒墊片破漆、前序搭鐵點油漆遮蔽工藝保護以及使用專用搭鐵螺栓，如圖1所示。由于在工藝布局、裝配環(huán)節(jié)等方面的便利性和高效性，線束搭鐵方式逐漸趨向于專用搭鐵螺栓的應(yīng)用。這3種截然不同的線束搭鐵方式所主要采用的導電機理也存在差異，差異點主要體現(xiàn)在對油漆車身搭鐵點位置“破漆”的處理方式上。最初采用鋸齒墊片的搭鐵方式，是將鋸齒墊片夾在線束搭鐵端子與車身搭鐵點鈑金之間，在螺栓緊固搭鐵端子的同時，鋸齒墊片發(fā)生旋轉(zhuǎn)位移并與搭鐵點鈑金產(chǎn)生摩擦，從而在一定程度上刺破搭鐵點鈑金表面的油漆，使搭鐵端子通過鋸齒墊片與車身實現(xiàn)電連接。油漆遮蔽工藝保護則是在焊接白車身進入電泳、涂裝環(huán)節(jié)之前，在車身上的各個搭鐵點處預(yù)先安裝螺栓或以其他形式對搭鐵點進行局部遮蔽保護，確保線束搭鐵位置不被電泳液或油漆覆蓋，在裝配線束搭鐵端子前拆除工藝保護用的螺栓或其他覆蓋物，并更換新的普通螺栓將線束搭鐵端子緊固在各個搭鐵點，使搭鐵端子與車身直接接觸形成電連接（緊固前需要在無油漆覆蓋的搭鐵點涂抹導電油脂，導電油脂一方面要能夠?qū)β懵垛k金起到防銹作用且對鈑金無腐蝕性，另一方面要能夠?qū)щ?，不得影響線束搭鐵端子與車身的電連接）。而專用搭鐵螺栓是在沒有任何工藝保護措施和增加額外零部件的情況下，直接將線束搭鐵端子作為常規(guī)裝配零部件緊固在油漆車身的搭鐵點上，使線束搭鐵端子通過搭鐵螺栓直接與車身形成電連接。

另外值得一提的是，為了確保控制器的可靠接地，汽車線束工程師們不僅在線束搭鐵方式上不斷進行探索，還對線束搭鐵端子本身以及車身搭鐵點結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，即在線束搭鐵端子及車身上增設(shè)限位結(jié)構(gòu)，防止搭鐵端子異常轉(zhuǎn)動（圖1c所示為搭鐵端子的新結(jié)構(gòu)，對應(yīng)車身搭鐵點上會有凹槽設(shè)計，以滿足搭鐵端子的裝配及防轉(zhuǎn)）。

以上3種搭鐵方式的導電機理及優(yōu)缺點簡述見表1。

通過專項試驗驗證、數(shù)據(jù)測量以及對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在搭鐵效果（以接地電阻值為參考）方面，采用專用搭鐵螺栓的方式和通過油漆遮蔽工藝保護的方式性能相近，并且它們的性能都顯著優(yōu)于采用鋸齒墊片的搭鐵方式。由于專用搭鐵螺栓不管是在使用成本，還是搭鐵效果上都有出色的表現(xiàn)，當前正被各車企主機廠廣泛采用。

1.2 專用搭鐵螺栓

專用搭鐵螺栓不僅在表面處理方式上與普通螺栓有所不同，通常為本色鋅鎳合金，在樣式、結(jié)構(gòu)上也與普通螺栓不同，即多出2處重要結(jié)構(gòu)，一是方便破除油漆涂層的切削槽，二是增強電性能的連續(xù)壓痕。如圖2所示。

1.2.1 切削槽

在搭鐵螺栓的螺紋前端有一個楔形凹槽，在螺栓旋轉(zhuǎn)、緊固過程中，切削槽通過與焊接螺母中螺紋的嚙合，摩擦去除焊接螺母螺紋表面附著的油漆。

1.2.2 連續(xù)壓痕

搭鐵螺栓擰緊后，連續(xù)壓痕與焊接螺母內(nèi)螺紋牙頂強干涉，如圖3所示，使螺紋牙頂發(fā)生微小形變，以此種特殊的咬合形式增強搭鐵螺栓與焊接螺母的嚙合程度，進而增強搭鐵螺栓與車身（焊接螺母）的導電性能。

1.2.3 表面處理

搭鐵螺栓表面處理一般采用電鍍鋅鎳合金工藝。電鍍鋅鎳合金工藝的優(yōu)點是表面硬度好，耐磨、耐腐蝕性能強，反應(yīng)性能優(yōu)異、無毒無害，對環(huán)境友好，不變色，美觀大方，可以抗腐蝕、抗振動、抗溫度變化，還可以承受一定的電壓和電流。

1.3 專用搭鐵螺栓導電機理

得益于搭鐵螺栓上述2個特殊結(jié)構(gòu)及其表面處理方式，使得搭鐵螺栓可以直接將線束搭鐵端子緊固在油漆車身上，并與車身形成良好的電連接。在整車通電后，線束各回路中的電流就可以通過線束搭鐵端子流經(jīng)搭鐵螺栓，并順暢地通過焊接螺母（車身）流回到蓄電池負極，最終形成完整回路。電流在線束搭鐵端子、搭鐵螺栓及車身的流向示意，如圖4所示。

2 搭鐵螺栓規(guī)格選型與鈑金厚度匹配

通過搭鐵螺栓結(jié)構(gòu)及導電機理的介紹可知，搭鐵螺栓在導電性能方面優(yōu)于普通螺栓的關(guān)鍵就在于切削槽及連續(xù)壓痕的設(shè)計。而針對不同厚度板材上的搭鐵點，即車身不同位置（如側(cè)圍、縱梁）搭鐵點，在搭鐵螺栓選型時，除了螺栓大小及螺桿長度外，是否還需要考慮搭鐵螺栓連續(xù)壓痕相對于焊接螺母的位置，則是本次驗證的主要目的。最終將通過對搭鐵螺栓連續(xù)壓痕相對咬合在焊接螺母不同位置時的接地電阻的測量推斷其對搭鐵性能的影響，進而為車身不同位置搭鐵點對應(yīng)的搭鐵螺栓規(guī)格選型提供依據(jù)。

2.1 試驗建模

根據(jù)連續(xù)壓痕相對于焊接螺母的相對位置，將螺栓的擰緊過程分為切削→初嚙合→全嚙合→初離→脫離5個階段。搭鐵螺栓擰緊關(guān)鍵過程示意如圖5所示。

另外，還需考慮搭鐵螺栓中連續(xù)壓痕長度l與焊接螺母中螺紋長度m兩項關(guān)鍵尺寸的大小關(guān)系，即分析連續(xù)壓痕長度對搭鐵性能的影響。如圖6所示。

2.2 驗證材料

為盡可能減少非必要環(huán)節(jié)影響（如搭鐵螺栓破漆程度等），驗證過程在特制的、未經(jīng)過電泳處理的、焊有標準焊接六角螺母的鋼板（焊接六角螺母前需要在螺母上預(yù)裝一枚螺栓，以免有焊渣飛濺到螺母內(nèi)螺紋上）上進行，并根據(jù)驗證模型選用同一標準件廠家生產(chǎn)的不同規(guī)格的搭鐵螺栓進行試驗。

2.2.1 樣板

驗證樣板通過在厚度4mm、普通DC03鋼板上焊接型號為RQ37006、RQ37008的標準焊接六角螺母制成。其中，螺母焊接3排，每排10個，焊接螺母間距40mm，第1、2排焊接M6螺母，第3排焊接M8螺母。樣板示意如圖7所示。

2.2.2 搭鐵螺栓

選用搭鐵螺栓規(guī)格共計3種，M6×16的搭鐵螺栓規(guī)格2種，此2種螺栓的主要區(qū)別在于連續(xù)壓痕長度l分別為3mm、5mm；另一種搭鐵螺栓規(guī)格為M8×20，其連續(xù)壓痕長度l為7.5mm。搭鐵螺栓關(guān)鍵尺寸如圖8所示。

2.2.3 樣本數(shù)量

取3種規(guī)格的搭鐵螺栓各10枚，按建模擬定過程逐項進行數(shù)據(jù)測量與采集。

2.3 測量及裝配工具

VC480C+數(shù)字毫歐表、鋼板尺、間隙尺、棘輪扳手、無刷電動扳手。

2.4 測量過程及方法

為完整模擬搭鐵螺栓連續(xù)壓痕相對于焊接螺母的不同位置，螺栓裝配在樣板焊接螺母面。驗證進行時，使用棘輪扳手將搭鐵螺栓逐步擰緊至各建模過程，并測量、記錄螺栓頭與焊接樣板間的電阻值。

2.5 數(shù)據(jù)采集

搭鐵螺栓相對焊接螺母不同位置接地電阻統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。其中，螺栓頭外端面離螺母的高度狀態(tài)記為h，即切削、初嚙合、全嚙合、初離、脫離5個階段對應(yīng)數(shù)據(jù)h1、h2、h3、h4、h5。

2.6 數(shù)據(jù)分析

1）單獨對比第1組數(shù)據(jù)，當搭鐵螺栓連續(xù)壓痕長度小于焊接螺母內(nèi)螺紋長度，即l＜m時，搭鐵螺栓連續(xù)壓痕完全包含于焊接螺母螺紋時，接地電阻值最小。

2）單獨對比第2組數(shù)據(jù)，當搭鐵螺栓連續(xù)壓痕長度等于焊接螺母內(nèi)螺紋長度，即l＝m時，鐵螺栓連續(xù)壓痕與焊接螺母螺紋全重合時，接地電阻值最小。

3）單獨對比第3組數(shù)據(jù)，當搭鐵螺栓連續(xù)壓痕長度大于焊接螺母內(nèi)螺紋長度，即l＞m時，焊接螺母螺紋完全包含于螺栓連續(xù)壓痕時，接地電阻值最小。

4）對比第1、2組數(shù)據(jù)，同樣大小的搭鐵螺栓，連續(xù)壓痕長度越長，接地效果越好，第3組數(shù)據(jù)也可佐證。

另外，當搭鐵螺栓連續(xù)壓痕與焊接螺母螺紋開始或脫離嚙合時，即初嚙合或初離階段，接地電阻值稍高于全嚙合狀態(tài)值。

注：因切削階段均由手擰搭鐵螺栓至明顯擰緊受阻狀態(tài)，此階段螺栓與螺母尚未擰緊，即無法將搭鐵端子緊固到位，實際生產(chǎn)也不允許出現(xiàn)此種狀態(tài)，故接地電阻值僅供參考。

2.7 小結(jié)

通過數(shù)據(jù)分析，當搭鐵螺栓連續(xù)壓痕處于焊接螺母螺紋中央，即全嚙合時，搭鐵接地效果最好。而加長連續(xù)壓痕長度，在擰緊搭鐵螺栓過程中，因需對焊接螺母內(nèi)的螺紋產(chǎn)生更多的破壞以增強電連接，此時的螺栓緊固力矩也會明顯徒增。

綜上，結(jié)合搭鐵螺栓的導電機理，以及試驗數(shù)據(jù)分析與試驗感知，建議車身不同位置（如側(cè)圍、縱梁）搭鐵點在對搭鐵螺栓選型時，應(yīng)盡量保證搭鐵螺栓及線束搭鐵端子在裝配完好后，搭鐵螺栓的連續(xù)壓痕能夠與焊接螺母的螺紋接觸、嚙合，且不宜超出焊接螺母螺紋區(qū)域。如條件允許（主要搭鐵點周邊環(huán)境件布局是否空間寬裕、車身鈑金強度/性能允許、成本可控等），可將整車搭鐵點結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)型，簡化為一種或兩種通用結(jié)構(gòu)，比如使用自帶備焊螺母的幾字形支架，該幾字形支架adRUEGMh6EGyrLTJUC+Jkdd5Qid23YpMKQczcGFU/q8=可適配不同規(guī)格的焊接六角螺母（M6、M8），如搭鐵點結(jié)構(gòu)能統(tǒng)一，則搭鐵螺栓的規(guī)格可根據(jù)幾字形支架的相關(guān)尺寸進行定制，確保搭鐵螺栓的連續(xù)壓痕能夠與焊接螺母的螺紋全嚙合，進一步推廣到平臺所有車型，使搭鐵螺栓定型為M6、M8 2種規(guī)格，這樣更有利于保證整車線束接地點搭鐵效果的一致性，使接地性能更有保障。

3 總結(jié)

汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘３鲂胁豢苫蛉钡囊环N交通工具。現(xiàn)代汽車的功能越復雜，存在的電氣功能隱患也就越多，而因線束搭鐵不良所導致的功能故障更是不可輕視。秉持“品質(zhì)是設(shè)計出來的”這一產(chǎn)品設(shè)計理念，通過對搭鐵螺栓規(guī)格選型（主要是連續(xù)壓痕在螺栓上的位置）與鈑金厚度匹配的研究，可以在設(shè)計階段進行充分的設(shè)計選型與數(shù)據(jù)校核，在保證螺栓緊固力及力矩衰減可控、可接受的前提下，讓線束接地達到最優(yōu)效果。同時，也共同期待能有新的、更出色的線束搭鐵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

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（編輯 凌 波）