为了探究高强度镀锌螺栓扭矩衰减机理, 进行扭矩衰减控制分析。以高强度镀锌螺栓为研究对象, 对螺栓进行受力分析, 建立判定扭矩衰减失效的数学模型;针对软连接装配, 基于扭矩衰减控制方法即降低拧紧转速或分步拧紧, 利用ATLAS电动拧紧系统, 采用不同装配方法对螺栓进行拧紧对比试验, 经过耐久试验结果表明扭矩失效准则能够有效判断装配连接的可靠性。

因此, 在软连接实际装配过程中, 改变拧紧策略对保证螺栓联接可靠性具有重要意义。

螺纹紧固件作为整车装配过程中应用最为广泛的连接件之一, 其连接形式主要包括硬连接与软连接, 连接方式看似简单, 但要保证拧紧质量则对拧紧过程的要求较高。

硬连接一般是指被连接件硬度较大, 螺纹副连接达到贴合点后旋转30° 以内即可达到紧固状态, 硬联接一般情况下无扭矩衰减;软连接是指被连接件本身较软或者中间存在防震棉、RTV密封胶以及密封橡胶圈等弹性元件, 螺纹副连接达到贴合点后旋转270° 以上才能达到目标扭矩, 软连接存在严重扭矩衰减情况。

本文结合理论分析与试验研究, 基于ATLAS电动拧紧系统, 对具有特殊要求的装配位置 (如加防震棉) 在拧紧过程中出现明显的扭矩衰减情况进行分析, 并对扭矩衰减的改善措施进行验证。

因此, 建立扭矩衰减数学模型建立并按照改善措施进行试验, 试验结果对整车生产过程中保证螺栓可靠连接具有指导意义。

1、扭矩衰减模型建立

1.1 轴向预紧力的确定

在整车装配过程中, 对螺纹紧固件施加拧紧扭矩后产生轴向预紧力, 该轴向预紧力既要保证被连接件在承受外载荷的作用下可靠贴合, 又要保证螺纹紧固件不发生塑性变形、断裂及被连接件不被压溃。

根据GBT16823.3-2010紧固件扭矩—夹紧力试验要求, 在考虑拧紧精度m%的基础上, 则要求紧固扭矩值尽量达到最佳预紧效果, 将轴向力设定为保证载荷的75%, 则有:

轴向预紧力:

目标扭矩值:

扭矩上限值:

扭矩下限值:

根据螺纹应力截面积及等效直径可知紧固屈服轴向力:

其中: SP—保证应力 ( SP=0.9σs) , MPa;β —螺纹升角, β= 2°?30' ; ds—螺纹等效直径, mm; α'—螺纹牙侧角; μs—螺纹副摩擦系数, 0.15;d2—螺纹中径, mm;P—螺距。

ψ 与螺纹摩擦系数、螺栓相关参数有关, 表1为不同摩擦系数对应的 ψ 值。

表1 不同螺栓摩擦系数ψ值列表

经过分析, 摩擦系数为0.15 对应的ψ 值基本维持在1.3左右, 则屈服轴向力可表达为:

根据 (1) 式可判定:

由式 (7) 可知, 设定的预紧力满足要求。

1.2 校核预紧力上限值

针对扭矩控制法, 即通过施加扭矩达到紧固作用。保证扭矩上限值产生的轴向预紧力小于螺栓屈服轴向力且被连接件不发生圧溃;根据装配部位重要度要求, 将拧紧工具精度控制在10%内, 即m%=10%, 则预紧力上限值小于屈服预紧力:

1.3 校核预紧力下限值

扭矩下限值则要保证其转化的轴向预紧力大于所在工况下所受变载荷转化的总拉力且能够有效可靠的贴合。

螺纹紧固件在受到交变载荷作用下均可以表达为仅受横向载荷及轴向载荷, 受力变形图如图1所示。

图1 螺栓受力变形图

由上可知螺栓所受总拉力公式为:

其中:

F —螺栓联接的服役总拉力; FPV—螺栓所受到的轴向力; FPH—螺栓所受到的横向力;Kf—可靠性系数; m —结合面个数; f —结合面摩擦系数; C1—螺栓的刚度; C2—被联接件的刚度。

对于普通螺栓连接, 只受预紧力作用的紧螺栓联接的强度条件为:

为了确定预紧力下限最小值大于总拉力, 取拧紧精度m%=10%, 则:

对于应用在重要场合的高强度螺栓, 安全系数取较大值;为满足校核, 取最小值进行校核计算, 则S=1.5。考虑了最低安全系数, 比值结果见表2所示。

表2 预紧力下限值与总拉力比值

根据表2可知, 预紧力下限值大于总拉力:

在一定的摩擦系数范围内, 通过数学模型的建立及校核分析, 可知将预紧力设定为保证载荷的75%是可行的, 能够最大发挥螺栓使用效能。

1.4 判定扭矩失效准则

从螺栓使用效率出发, 即极大发挥螺栓使用效能。从表2 中可知预紧力下限值与总拉力比值近似为1.2, 则:

由 (11) 知:

由 (14) 可知, 螺栓在受交变载荷作用下的总拉力为目标扭矩转化预紧力的75%, 即施加的扭矩转化为预紧力下降到75%则不能保证有效连接。

2、试验研究

2.1 试验材料

试验以某车型行李架支架安装螺栓为研究对象, 探究扭矩衰减及其控制技术。每台车安装螺栓共8颗, 螺栓基本属性见表3, 该安装位置接触面处设有防震棉, 如图2 所示, 其主要作用是避免连接件刚性接触在受交变载荷作用下加速松脱, 减少车内噪音, 提升NVH性能。

表3 螺栓基本属性

表3 螺栓基本属性

图2 行李架支架螺栓

2.2 试验思路分析

通过分析该装配结构可知, 其连接形式为软连接, 在装配过程中, 电动拧紧枪高速转动造成应力集中, 出现扭矩瞬时偏高的现象, 待拧紧动作停止后集中在整个螺纹体系中的应力就释放出来, 最终导致扭矩衰减。

针对软连接结构, 减少扭矩衰减的措施主要有适当增加拧紧步骤, 即分步拧紧, 间隔时间为0.5 s左右, 待防震棉内应力释放之后重新执行慢速拧紧到扭矩目标值的动作。

试验分为两个对比试验, 以扭矩衰减失效准则作为判定依据, 施加的目标扭矩值为8 N·m。

第一个试验在没有考虑该接触面为软连接的情况下直接采用ATLAS电动拧紧枪对螺栓进行拧紧, 搭载试验车为1#与2#车;第二个试验则考虑软连接接触而采用数显扭矩扳手对螺栓进行分步拧紧降低拧紧转速的装配方法拧紧, 搭载试验车为3#与4#车。

2.3 试验结果分析

经过长达3 个月的耐久路试试验之后, 再利用数显扭矩扳手对支架螺栓进行扭矩检测, 检测数据如表4。

表4 扭矩检测数据

根据1.4节扭矩衰减准则来判定扭矩衰减是否合理, 检测扭矩必须在初始目标扭矩的75%以上, 即衰减至6 N·m以上才能完全保证被连接件可靠连接。对上表检测数据进行处理, 绘制成折线图, 如图3所示。

图3 检测扭矩直观图

分析如下:

(1) 由表3 数据可知, 直接拧紧后路试试验检测扭矩衰减非常严重, 有些紧固点甚至出现松动现象, 对于1#车有多达50%的螺栓出现松脱, 如图4 所示。扭矩衰减是由于接触面间加设有防震棉使连接形式为软连接所致。

(2) 针对软连接采用分步拧紧降低拧紧转速的方法, 可知路试试验数据均大于6 N·m, 扭矩衰减处于合理范围, 能够保证有效连接。所以, 以扭矩失效准则为依据, 改变拧紧策略可以有效改善扭矩衰减。

图4 1#车各安装点检测扭矩

3、总结

高强度螺纹连接质量控制要求愈加严格, 有效地控制扭矩衰减可以保证适当的轴向预紧力, 提高螺纹连接的可靠性、紧密性和防松能力[6]。本文以理论分析为基础、试验研究为基本方法分析扭矩衰减控制, 主要成果有:

(1) 基于螺栓连接受力分析, 极大发挥螺栓材料利用率, 在一定摩擦系数范围内, 经过扭矩衰减数学模型建立, 研究螺纹紧固件扭矩失效率;

(2) 以扭矩失效准则作为判定条件, 通过对比试验验证了针对软连接采用分步拧紧或降低转速方法能够有效地控制扭矩衰减, 保证螺栓轴向预紧力, 减少螺栓失效率, 提升生产效率, 指导整车生产制造。