重卡鋼板彈簧騎馬螺栓動靜態(tài)力矩的裝配質(zhì)量過程控制

孟偉勛，徐 烽，謝 剛，劉 劍，張 翼，王旭輝

(上汽依維柯紅巖商用車有限公司，重慶 401122)

騎馬螺栓是汽車懸架系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的零件之一，其主要作用是將鋼板彈簧在車橋或者平衡軸上進(jìn)行固定，實現(xiàn)板簧各片之間的貼合，防止板簧的縱向及橫向的躥動，為鋼板彈簧獲得有效預(yù)緊力提供保障，因此該零件在懸架總成中具有至關(guān)重要的作用［1］。在車輛底盤裝配線實際裝配過程中，前后騎馬螺栓的動靜態(tài)力矩的質(zhì)量控制顯得尤為重要，因為在車輛完成駕駛室總成及其他總成裝配下線后騎馬螺栓的力矩就會產(chǎn)生一定衰減，而經(jīng)過路試試車后力矩會進(jìn)一步衰減。

騎馬螺栓擰緊力矩的衰減對鋼板彈簧片的剛度及應(yīng)力分布有較大的影響，是導(dǎo)致鋼板彈簧中心螺栓斷裂，鋼板彈簧錯位、斷裂，進(jìn)而造成重卡懸架系統(tǒng)零部件損壞的重要誘因［2］。

其一、隨著鋼板彈簧騎馬螺栓沒有足夠的預(yù)緊力而逐漸產(chǎn)生松弛，最大應(yīng)力斷面由騎馬螺栓轉(zhuǎn)移到中心螺栓處，最大彎矩也隨之增加，當(dāng)車輛超載或受到道路不平顛簸沖擊時就會發(fā)生斷裂，而且大多數(shù)斷裂是在汽車長期超載運(yùn)行的情況下發(fā)生的。

其二、騎馬螺栓未擰緊或者自行松動而導(dǎo)致其有效力矩的衰減，這會使得鋼板彈簧的預(yù)應(yīng)力降低，鋼板彈簧總成剛度削弱，其支撐座的均布應(yīng)力變成集中應(yīng)力，使鋼板彈簧中心空出產(chǎn)生應(yīng)力集中。在交變載荷的作用下，疲勞裂紋在中心孔處逐漸形成與發(fā)展。當(dāng)某一片鋼板彈簧先產(chǎn)生折斷后，隨著鋼板載荷增大，最后甚至?xí)霈F(xiàn)全部折斷。

因此，在車輛裝配過程中對騎馬螺栓力矩質(zhì)量的有效過程控制對于提高懸架系統(tǒng)乃至整車的安全性具有重要的作用。

本文基于對騎馬螺栓擰緊力矩衰減原因的研究，對重卡騎馬螺栓裝配時的動靜態(tài)力矩數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，使用Minitab等軟件對騎馬螺栓擰緊力矩進(jìn)行過程能力分析，并提出有效緩減騎馬螺栓擰緊力矩衰減的措施，為提高騎馬螺栓有效力矩的裝配品質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

1 統(tǒng)計過程控制(SPC)

1.1 過程控制的主要內(nèi)容

過程控制的主要內(nèi)容:①對過程進(jìn)行分析并建立控制標(biāo)準(zhǔn);② 對過程進(jìn)行監(jiān)控和評價;③ 對過程進(jìn)行維護(hù)和改進(jìn)。

1.2 統(tǒng)計過程控制

統(tǒng)計過程控制(SPC)是為了貫徹預(yù)防原則，應(yīng)用統(tǒng)計技術(shù)對過程各階段進(jìn)行評估和監(jiān)控，建立并保持過程處于可接受的并且穩(wěn)定的水平，從而保證產(chǎn)品與服務(wù)符合規(guī)定要求的一種質(zhì)量管理技術(shù)。它通過使用控制圖等統(tǒng)計技術(shù)來分析過程和輸出，借助適當(dāng)?shù)拇胧┻_(dá)到并維護(hù)過程穩(wěn)定，從而實現(xiàn)改進(jìn)和保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的［3］。當(dāng)過程僅受隨機(jī)因素影響時，過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài)(受控狀態(tài));當(dāng)過程中存在系統(tǒng)因素的影響時，過程處于同級失控狀態(tài)(失控狀態(tài))。應(yīng)用SPC技術(shù)就是使生產(chǎn)過程經(jīng)常處于受控狀態(tài)，在各個階段對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)控與評估，消除失控狀態(tài)，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

2 騎馬螺栓動靜態(tài)力矩統(tǒng)計分析

本文以底盤車架預(yù)裝線中后騎馬螺栓(后平衡懸架單螺母)擰緊力矩的過程控制為例，以“螺栓擰緊力矩”為主導(dǎo)因素，運(yùn)用分析用控制圖與控制用控制圖，通過靜態(tài)復(fù)緊力矩的偏移靈活調(diào)整動態(tài)擰緊力矩，實際上就是不斷進(jìn)行動態(tài)力矩質(zhì)量改進(jìn)與維持，對螺栓最終擰緊力矩質(zhì)量進(jìn)行有效過程控制。

2.1 數(shù)據(jù)采集

該裝配線使用氣動油壓脈沖擰緊機(jī)作業(yè)，根據(jù)判穩(wěn)原則和國標(biāo)，樣本容量取4或5為合理子組，以檢測時間為間隔，至少取25組數(shù)據(jù)。在過程條件保持不變的情況下，通過上位機(jī)實時顯示與數(shù)據(jù)保存功能對騎馬螺栓力矩數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

908車型的車架平衡懸架單螺母騎馬螺栓規(guī)格為M24×2，力矩為800～1040 N·m，擰緊機(jī)初始設(shè)定動態(tài)力矩為850 N·m。在裝配鋼板彈簧時，用扭力扳手在操作人員復(fù)緊前檢查該板簧力矩值，取125組數(shù)據(jù)(子組)，每組樣本容量為5個，采集數(shù)據(jù)見表1。

表1 后騎馬螺栓力矩數(shù)據(jù)Xi、Ri、M、S等計算結(jié)果

2.2 分析用控制圖

1)以上述采集數(shù)據(jù)為樣本，計算樣本子組得平均值Xi、子組極差Ri、預(yù)備數(shù)據(jù)總體平均值X、子組極差平均值R、公差中心M、標(biāo)準(zhǔn)差S以及超上差極大值與超下差極大值、合格率等計算結(jié)果，具體見表1。

2)利用Minitab軟件對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從X均值圖(圖1)可以看出:上、下控制線及中心線分別為 UCLx=1041.4=938.4，LCLx=835.4;R極差圖中上、下控制線及中心線分別為UCLR=377.5=178.6，LCLR=0。從均值 － 極差圖中可以清楚地看到:該擰緊機(jī)在螺栓擰緊過程中所采集的數(shù)據(jù)存在異常點，從而造成了整個擰緊力矩質(zhì)量發(fā)生偏移。

圖1 均值圖與極差圖

2.3 過程能力分析

過程能力分析評價是衡量加工產(chǎn)品特性值之間緊密程度的一種度量，表示能否滿足加工過程中產(chǎn)品加工技術(shù)要求的程度。利用上述數(shù)據(jù)做出力矩值的過程能力分析圖與六合圖(見圖2、3)。從圖中所得數(shù)據(jù)及計算情況得出:當(dāng)前CPK=0.41，樣本均值為 938.4，整體標(biāo)準(zhǔn)偏差為 82.28，預(yù)期目標(biāo)為920，不合格率為PPM=72000。說明工序能力不足，過程處于不受控狀態(tài)，需對過程能力進(jìn)行調(diào)整以改進(jìn)目標(biāo)。

圖2 力矩值的過程能力分析

圖3 力矩值過程能力六合圖

2.4 過程能力監(jiān)控及改進(jìn)

通過上述過程能力分析知，該過程能力存在不足，需要加強(qiáng)對過程能力的監(jiān)控以及改進(jìn)。利用TRIZ創(chuàng)新理論從5M1E六個方面入手，對螺栓力矩質(zhì)量控制不穩(wěn)定原因進(jìn)行分析，找出引起螺栓動靜態(tài)力矩的裝配質(zhì)量不穩(wěn)定的可能原因，具體表現(xiàn)為以下幾方面:

1)操作人員對擰緊機(jī)的不當(dāng)操作致使螺栓力矩未達(dá)到工作力矩;

2)擰緊機(jī)傳感器靈敏度與重復(fù)性不好或因質(zhì)量問題使得上位機(jī)采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)了錯誤，致使裝配質(zhì)量不穩(wěn)定或者出現(xiàn)誤判;

3)現(xiàn)場其他設(shè)備的電磁干擾使得擰緊機(jī)中PLC受干擾造成程序發(fā)生紊亂;

4)板簧等相關(guān)聯(lián)接件由于表面光潔度原因造成新車騎馬螺栓軸向力下降;

5)騎馬螺栓本身以及配套螺母的材料力學(xué)性能的影響;

6)裝配工藝制定存在問題。

通過對裝配系統(tǒng)的分析逐次排查對應(yīng)可能存在的問題，結(jié)合過程能力分析，最后制定相應(yīng)措施:

1)加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)，使其掌握并熟悉科學(xué)的操作方法。

2)針對908線后騎馬螺栓擰緊后合格率較低的情況，調(diào)整動態(tài)力矩設(shè)定值;因擰緊機(jī)初始設(shè)定動態(tài)力矩為850 N·m，靜態(tài)設(shè)定力矩平均值為920 N·m，過程控制測定值為938.4N·m。據(jù)過程能力分析調(diào)整，將力矩設(shè)定降低18.4 N·m，取整為832 N·m。

3)選擇抗磨性好的潤滑油可減少摩擦力損耗。將板簧加載壓緊后再裝配騎馬螺栓，增加螺栓的軸向力，提高力矩擰緊的質(zhì)量。

按照改進(jìn)后的方案實施擰緊裝配，分析得到其均值－極差圖，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的均值圖與極差圖

從圖4可以看出該擰緊機(jī)在螺栓擰緊過程中所采集的數(shù)據(jù)無任何異常，由判穩(wěn)原則可知過程的波動與均值均處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過力矩值得到過程能力與六合圖(見圖5、6)。分析可知:改進(jìn)后的 CPK=1.18 ＞1，樣本均值為 926.44，接近目標(biāo)值920，整體標(biāo)準(zhǔn)偏差為32，不合格率為0。說明工序能力正常，過程處于受控狀態(tài)。

圖5 改進(jìn)后力矩值的過程能力分析

圖6 改進(jìn)后力矩值過程能力六合圖

此外，生產(chǎn)工序管理員需定期對每臺車架的騎馬螺栓的力矩進(jìn)行測定，從擰緊機(jī)的上位機(jī)采集力矩值繪制控制用控制圖，分析裝配質(zhì)量以及偏移量以調(diào)整動態(tài)力矩值。車間質(zhì)量管理人員需每天檢查監(jiān)控使用過程控制圖的狀態(tài)以及過程能力控制是否存在異常。當(dāng)均值－極差控制圖中點的分布隨機(jī)排列且符合判穩(wěn)原則，過程能力圖中CPK＞1，PPM=0，整體標(biāo)準(zhǔn)差偏小時，判定過程穩(wěn)定且處于受控狀態(tài);當(dāng)均值－極差控制圖中點的分布超出控制范圍或者排列不隨機(jī)，過程能力圖中CPK＜1，PPM＞0，整體標(biāo)準(zhǔn)差偏大時，則控制過程存在異常，過程處于不穩(wěn)定不受控狀態(tài)，應(yīng)及時分析造成異常的原因，采取有效措施改進(jìn)過程能力，直到過程恢復(fù)正常。

3 結(jié)束語

本文通過應(yīng)用統(tǒng)計過程控制技術(shù)對騎馬螺栓動靜態(tài)力矩擰緊裝配作業(yè)進(jìn)行控制，有效地提高了騎馬螺栓的裝配質(zhì)量和生產(chǎn)率，滿足了生產(chǎn)需求，保障了重卡在行駛過程中的安全性與可靠性，取得了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益，贏得了客戶的信賴，提升了企業(yè)的整體形象與核心競爭力。

［1］李海波，居剛，修永芝.重型卡車鋼板彈簧騎馬螺栓擰緊力矩衰減探討［J］.專用汽車，2012(3):90－93.

［2］李瑞富，高堯臣.汽車保修工技術(shù)問答［M］.濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，1983:221－222.

［3］鞠成山.螺栓擰緊的統(tǒng)計過程控制［J］.汽車工藝與材料.2008(12):38 －41.