汽車底盤緊固件極限惡劣狀態的軸力檢驗方法研究

李冠蘭，蔡屹先，王路

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汽車底盤緊固件極限惡劣狀態的軸力檢驗方法研究

李冠蘭，蔡屹先，王路

（廣汽本田汽車有限公司技術部，廣東 廣州 510700）

汽車底盤緊固件的軸力狀態會影響車輛的可靠性和安全性，當軸力不足時車輛會存在重大安全隱患，將引起重大市場問題。汽車生產過程中，底盤部分的緊固件普遍以力矩管控實現對軸力的管控。但力矩狀態無法準確反應量產的軸力分布狀態，無法檢驗極限惡劣狀態下的軸力。文章以應變式螺栓為基礎，通過對不同的被緊固件的結構形式、不同的工具進行對比測量，提取影響軸力狀態的關鍵因素，并建立了極限狀態下的軸力檢驗方法并進行應用檢驗，可實現對極限惡劣狀態的風險排查。試驗表明該方法及設備適用于對極限惡劣狀態下底盤軸力不足的風險排查。

極限狀態；軸力；風險排查

1 測量基礎工具及原理簡介

螺栓在底盤緊固后，沿螺栓中軸線對緊固件的夾緊力稱為軸力。本次的測量螺栓采用應變式軸力螺栓，在普通螺栓中心填入管式應變儀，通過測定螺栓旋緊后造成應變儀產生應變的應變量，從而測算出螺栓軸力值。如圖1所示：

圖1 軸力螺栓及內部結構

1.1 軸力螺栓原理為韋斯通電橋回路

如下圖所示，為設備電壓，為輸出電壓，1為埋入的應變片電阻，假設應變初期R=R=R=R。

圖2 韋斯通電橋

當R被拉伸出現形變時，假定電阻變化量△，公式推算如下：

實際△R遠小于R1，因此：

即輸出電壓與電阻變化成比例；通過把測量到的電壓的增幅擴大，可得到變形量或數據值，最終可以測定應變。

1.2 應變測量設備及原理圖如下所示

圖3 軸力/扭力測量設備及原理圖

2 軸力極限惡劣檢測模式設定探討

在規定力矩下，即使扭矩不變，軸力也會有變化。現場裝配中，除了單品精度差異（平面度、粗糙度、表面處理）和緊固力矩波動等可監控的因素外，實際影響緊固件軸力狀態的主要有如下容易被忽視的因素：被緊固件結構差異、設備差異。

結構存在差異，軸力容易達到極限狀態的風險也存在差異。不同的結構受設備差異的影響程度是不一樣的。針對底盤的連接結構特點，提取兩種典型結構進行研究：單層面式連接、雙層面式連接。典型構造如下圖所示。

單層面式（底盤大部分的連接方式，例如底盤副車架與白車身的緊固點等）：

圖4 單層面式配合結構

雙層面式（底盤懸架經常使用的一種連接方式，例如下擺臂與副車架點緊固點、減震器與轉向節的緊固點等）：

圖5 雙層面式配合結構

以上兩種結構形式，設備差異對其影響程度是有差別的；設備差異最直接的體現是擰緊時的轉速。針對不同的設備設定轉速，使用相同的緊固力矩（64Nm）對同一個緊固點進行裝配，測量得如下力矩狀態：

圖6 單層面式結構測量數據

單層面式結構，軸力結果差異不明顯。

圖7 雙層面式結構測量數據

雙層面式結構，軸力結果差異明顯：

從以上試驗數據可以得出：

（1）雙層面式結構受設備差異的影響程度要大于單層面式結構；

（2）設備轉速越高，軸力越低。

綜上，軸力極限惡劣模式檢測方法的建立條件為：零件單品的平面度、表面處理、平行度選取公差上限，設備轉速設定為參數的上限；同時對于雙層面式連接結構，如圖-8中│A-B│取上限。

圖8 -雙層面結構管控參數

3 實例測量說明

為了驗證本文所述測量方法及系統的有效性，筆者利用該方法針對某車輛底盤下擺臂一處緊固點進行檢測。規定力矩為54~64Nm，極限檢測設定緊固時采用最下限力矩54Nm，單品平面度取規定值上限0.3，同軸度0.5，│A-B│上限0.3mm，設備轉速設定為設備的轉速上限8000r/min。得到如下結果，藍色點為極限檢測緊固過程數據，紅色點為另外測量得的15個量產水平的軸力值。

圖9 極限狀態測試結果與量產水平對照

圖表分析：

（1）藍色點為最惡劣的工況和零件狀態下所測定的數據，即為極限惡劣狀態下的軸力值。最終數值比量產數據低，證明極限惡劣狀態下的軸力確實遠低于正常量產水平，但該位置依舊大于規定所需的最小軸力值43.75Nm；

（2）在此最惡劣的狀態下，可推算出規定力矩54～64 Nm所對應的軸力范圍區間為47.2～57KN（綠色分布帶），分布在規定的43.75～68.1KN區間內。說明該部位即便工況達到最惡劣情況，只要緊固力矩達到規定值，所需的軸力狀態就可滿足。因此該部位極限惡劣情況下的軸力不足風險可以排除。

從以上結果分析可得：

（1）極限檢測模式下的軸力會低于正常量產水平；

（2）使用該檢測方法可以準確反應出極限惡劣狀態下的軸力值，同時可以排除量產波動造成的軸力極限狀態風險。

4 結論

應變式測量螺栓軸力是汽車底盤安全件檢測中常用到的方法之一。針對目前實際生產中多種因素造成的量產波動、軸力極限狀態風險難以排除的問題，筆者提出了一種基于應變式螺栓檢測極限惡劣狀態的軸力的模式。試驗表明該方法測量方便，且能夠準確檢驗出裝配中最惡劣狀態的緊固件軸力，排除潛在的風險。該測量模式及設備適合在實驗室、裝配現場、振動等環境，直接測量螺栓及螺栓組中的預緊力，為汽車緊固件的安全檢驗、風險排除提供了有效措施。

[1] 魏濤,王洋,李紅松,楊立鋒.基于應變的螺栓擰緊軸力測量研究[J].內燃機與動力裝置, 2011(5):1-3.

[2] 邢堃,劉檢華,唐承統.一種基于墊片式力傳感器的螺栓組連接預緊力測量方法[J].學術論文,2015(16):9-10.

[3] 朱正德,郭林健.實現螺栓可靠裝配的10個步驟[M].機械工業出版社:2009.11.

The study of chassis bolts’ axial force test in the worst state

Li Guanlan, Cai Yixian, Wang Lu

( Guangzhou Auto Honda Motor Co., Ltd.. Technical Department, Guangdong Guangzhou 510700 )

The lamp force of the chassis bolts is so important that it affects the reliability and safety of the vehicles. When the clamp force is too low, there will be a lot of security risks in the market. The manufactures will check the torque before the vehicles come into the market, but the torque is different from the bolts’ axial force. The torque cannot reflect the axial force accurately. Especially when the axial force is in the worst state, the security risks exist. This article is based on the Stretch bolt, aim at measuring out the chassis bolts’ axial force in the worst state according to different constructions, different tools. The result shows that this method could exclusive the risk accurately.

the worst state; axial force; risk exclusion

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1671-7988(2018)16-64-03

U463.1

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1671-7988(2018)16-64-03

CLC NO.: U463.1

李冠蘭，就職于廣汽本田汽車有限公司技術部。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.023