發動機艙高溫對冷卻模塊上緊固件應用的影響

王 磊，張海江（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

發動機艙高溫對冷卻模塊上緊固件應用的影響

王 磊，張海江
（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

本文通過一個冷卻風扇上的螺栓扭矩失效案例介紹熱管理對應用在塑料件上緊固件扭矩的影響。

緊固件扭矩；高溫；塑料件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.262

1　前言

螺栓在汽車中的采用非常廣泛，它的優點是可以獲得很大的聯接力，又便于裝拆，可以通過標準化，實現了大批量生產，成本低而價格便宜，具有互換性。在汽車工業生產中，螺栓聯接十分重要。螺栓擰緊應用于汽車行業的裝配已經是一個普遍現象。工程應用中出現的問題也很多，本文通過一個冷卻風扇上的螺栓扭矩失效案例介紹熱管理對應用在塑料件上緊固件扭矩的影響。

2　問題排查和復現

如圖1所示，某配置增壓發動機車型，發動機艙內，尼龍材料風扇通過兩個M6螺栓固定到散熱器的尼龍材料水室上，在路試試驗中多次出現螺栓脫落的問題。檢查了扭矩扳手的精度和當時的色標，排除了扭矩不足的原因，該處螺栓處于散熱器上方，而且較靠近增壓器等熱源。根據作用在接頭上的外載荷力的方向可以把螺紋接頭分為兩類。如果作用在接頭上的力的方向或多或少與螺栓軸向平行時，那么這個接頭受拉伸載荷這個接頭叫拉伸接頭。如果作用力的方向或多或少垂直于螺栓軸時，那么這個接頭受剪切載荷整個接頭叫剪切接頭。這兩類接頭如圖2和圖3所示。一些接頭承受復合了拉伸和剪切的載荷，那么這個接頭命名為其中較大載荷的那種，要么是拉伸接頭要么是剪切接頭。該文所提到的接頭為拉伸式，下面按照拉伸接頭進行分析。

圖1　螺栓安裝位置

圖2　拉伸接頭

圖3　剪切接頭

當拉伸接頭被裝配時，接頭上開始產生夾持力，通過旋轉螺母或螺栓頭擰緊螺栓。該動作會產生螺栓的拉伸，在這個階段的拉伸通常被稱為預載。當螺栓被正常擰緊時，盡管會有一些螺紋產生塑性變形，但是螺栓的大部分和接頭零件在擰緊螺栓時的響應是彈性的。接頭零件會被壓縮一點點，而螺栓會被拉伸很多。

擰緊時，接頭零件和螺栓的狀態像硬彈簧，一個被壓縮，另一個被拉伸，如圖4所示。像彈簧一樣，接頭零件和螺栓獲得（存儲）勢能。如果我們在擰緊后松掉它們，它們會猛地回到它們原來的尺寸。正是這個存儲著的能量維持所有夾持力的。

圖4　彈性勢能示意圖

從該角度出發，考慮到尼龍材料在受熱后會變軟，塑料/螺栓、塑料/塑料接觸面會發生塌陷，導致存儲的勢能消失。經在該處貼溫度貼片所測，夏季爬坡試驗時該處最高溫度會達到120度。

在臺架上對比了螺栓處溫度為常溫，80℃，120℃時冷卻模塊振動試驗，發現在120℃時1.5小時后就復現了螺栓脫落的問題，數據如表1。

表1　試驗數據

3　結束語

溫度升高塑料變軟，塑料/螺栓、塑料/塑料接觸面發生塌陷，拉伸接頭中緊固件主要依靠伸長量的變化提供夾持力，由于溫度升高塑料變軟，螺栓的形變恢復，扭矩減小甚至消失。對固定塑料件的螺栓，發動機艙溫度對螺栓夾持力的影響很大，在設計初期需要注意螺栓處的外界溫度，對于尼龍材料，長期工作溫度在80度以下，瞬時溫度在100度以下。在塑料件中加入金屬嵌件，可以消除高溫對塑料件的變型，避免熱管理高溫對扭矩的影響。

王磊（1982-），男，碩士，中級。