针对某车型悬置系统紧固件扭矩衰减严重问题,通过对各种影响因素进行详细分析,确定产生该问题的主要原因。针对各个影响因素进行整改优化,经过理论分析与试验验证,通过优化紧固扭矩、摩擦系数、螺纹啮合长度,有效解决了紧固扭矩衰减严重问题,将其控制在设计要求范围内,提升了悬置系统可靠性及整车可靠性。
紧固件可靠性技术成为确保机械设备可靠性的关键技术之一。对于汽车悬置系统而言,紧固件的失效可能会导致动力总成故障,更甚者,当汽车高速行驶时,可能会危及驾驶员及乘客的生命安全,汽车悬置系统紧固件可靠性技术成为汽车研发过程中关注的重中之重 。
本文主要针对某车型研发过程中存在的紧固件扭矩衰减问题(不正常衰减,严重的衰减达到25%,不满足设计要求),通过因素分析法对各个影响因素进行整改及优化,最终将紧固件扭矩衰减控制在合理范围内,有效提升了悬置系统可靠性及整车可靠性。
1、问题说明
某车型在小批量生产过程中发现,悬置系统紧固件存在扭矩衰减现象。针对该问题进行了实车测试确认。以某悬置与动力总成连接紧固件为例,测试如图1中1~4号紧固件连接情况,测试结果如表1所示。
图1 紧固件编号
表1 紧固件扭矩测试结果
注:初始扭矩为60 N/mm。
从上述测试结果可以看出:该悬置系统紧固件扭矩衰减较为严重(最严重的衰减达到25%,超过设计衰减15%的要求),存在事故隐患。
2、原因分析
通过对紧固件相关资料研究,结合该问题具体情况,采用故障树分析法(FTA)对可能导致紧固件扭矩衰减的原因进行了分析,如图2所示。
图2 故障树分析
从图2可以看出,对悬置系统紧固件扭矩衰减影响因素可以归集为5个方面。由于配合件材料及相互关系以及法兰面直径大小与前期开发车辆相同,而前期开发车辆没有出现扭矩衰减至不满足要求现象,故认为该因素不是问题主要原因,整改时不做考虑。
3、制定整改措施
3.1 优化紧固扭矩
紧固件可靠性主要体现在其所提供的轴力大小,而通常生产过程中则通过扭矩来间接保证轴力大小,因此,扭矩成为紧固件是否可靠的关键因素。
根据相关文献 ,紧固件扭矩与轴力之间存在以下关系:
式中:MA———紧固扭矩;FM———紧固扭矩对应轴力;P———螺距;D2———中径;UG———螺纹摩擦系数;UK———螺栓头部摩擦系数;DKm———有效直径。
此外,紧固件许用轴力可通过下式计算 :
式中:FMzul———许用轴力;A0———最小截面面积;V———利用系数;RP0.2min———最小屈服应力;D0———最小截面直径;UGmin———螺纹最小摩擦系数。
此次紧固件P=1.25,UG=UK=0.2,其他相关参数可参考有关文献 。根据式(2)计算可得其许用轴力为41.5 k N,当紧固扭矩为60 N·m时,该扭矩产生轴力为21.1 k N,约为许用轴力的51%,利用系数较低。
因此,可提升扭矩来优化紧固件定扭后产生的轴力,减小扭矩衰减。
3.2 摩擦系数设计不合理
该处设计之初对摩擦系数没有进行明确定义,直接由供应商进行正常处理。通过3.1分析后发现,当紧固扭矩一定时,摩擦系数对所产生的轴力影响较大(具体见公式(1))。
参考前期设计,将该处紧固件摩擦系数定义为0.15,相同情况下,当紧固扭矩为60 N·m时,产生紧固轴力为27.5 k N。因此,摩擦系数的优化也能有效地提升该处紧固件可靠性。
3.2 螺纹啮合长度不够
根据设计经验,一般要求紧固件螺纹啮合长度不小于其公称直径的1.5倍,对于M10紧固件即要求不小于15 mm,因此,设计之初该处螺纹啮合长度为19 mm。
通过对相关文献研究 ,德国标准对紧固件螺纹啮合长度要求为
式(3)中各个参数含义可参考文献 。根据式(3)对该处紧固件所需螺纹啮合长度进行计算,发现该处所需螺纹啮合长度为18.5 mm。考虑到配合螺纹为铸铝内螺纹,安全系数取1.3,因此该处所需螺纹啮合长度为24 mm。
因此,需将螺纹啮合长度进行优化,优化后有利于提升悬置系统紧固件可靠性。
4、测试验证
4.1 优化方案
通过上述分析,将有利于紧固件可靠性的措施进行整合优化,在其他参数不变的前提下,将紧固扭矩提升为65 N·m,摩擦系数定义为0.15,紧固件长度由45 mm加长到55 mm。
通过式(1)计算上述措施对紧固件轴力影响。计算可知,采用上述措施后,紧固件产生的轴力为30.0 k N,紧固件许用轴力为44.7 k N,利用系数约为67%,符合紧固件设计选用规范。
4.2 台架验证
为了验证改进后方案效果,通过轴力测试的方法进行了验证。测试结果如图3所示。
图3 轴力测试曲线
通过图3可以看出,经过多轮试验后,紧固件轴力趋于稳定,且稳定在初始轴力70%以上,满足设计要求。
4.3 实测验证
为了批量验证整改效果,采用如图4所示测试工具对下线车辆进行了紧固扭矩确认。
图4 测试工具
通过对随机抽取的10台样车进行测试验证,结果如表2所示。
表2 测试结果
通过上述测试结果可以看出:采用整改措施后,紧固件扭矩衰减最大为12.5%,满足设计要求。
综上所述,采用整改措施后有效地解决了扭矩衰减过大问题,将其控制在设计要求范围内,且从轴力角度验证也满足要求,因此采用整改措施后该问题得到解决。
5、总结
针对某乘用车车型开发过程中遇到的悬置系统扭矩衰减严重问题,通过对各影响因素进行理论分析,找到解决该问题的关键因素并确定了整改方案。通过将整改方案落实,有效地提升了紧固后紧固件产生的轴力。
此外,通过理论分析、台架验证、实测测试等多方案验证的方法进一步确认了整改措施的有效性,解决了悬置系统紧固件扭矩衰减严重问题,将其控制在设计要求范围内。
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