扭矩+轉(zhuǎn)角法擰緊質(zhì)量控制及優(yōu)化的探討

莫達(dá)君 潘子文 李德鑫

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 前言

在汽車的裝配過程中，螺栓連接是主要的裝配方式之一，用于許多底盤重要部件的連接，例如副車架、后橋、傳動(dòng)軸、輪胎等零部件。一般常見的緊固控制方法有兩種：扭矩法和扭矩+轉(zhuǎn)角法。扭矩法是利用扭矩與預(yù)緊力的線性關(guān)系在彈性區(qū)進(jìn)行緊固控制的一種方法。但隨著汽車裝配質(zhì)量要求的不斷提高，扭矩法的缺點(diǎn)也越多的顯現(xiàn)出來(lái)；重要部件的緊固方法越來(lái)越多的使用扭矩+轉(zhuǎn)角法。

隨著扭矩+轉(zhuǎn)角法的投入使用，一些擰緊質(zhì)量問題也隨之出現(xiàn)，這需要我們?cè)趦?yōu)化電動(dòng)擰緊工具的程序、提升緊固件的質(zhì)量甚至優(yōu)化重要零部件結(jié)構(gòu)等方面做努力。本文主要針對(duì)這些方面進(jìn)行研究探討。

2 扭矩+轉(zhuǎn)角法介紹及影響因素

扭矩法是通過擰緊工具設(shè)定到某個(gè)扭矩值來(lái)控制連接件的預(yù)緊力。一般地，90%的扭矩被摩擦力消耗，只有10%的扭矩轉(zhuǎn)化為夾緊力；但因扭矩系數(shù)波動(dòng)較大，轉(zhuǎn)化成夾緊力的散差也比較大，夾緊力精度較低。研究表明，使用扭矩法緊固螺栓時(shí)，由于擰緊工具精度、摩擦性能的波動(dòng)、螺栓強(qiáng)度波動(dòng)等因素影響，一般軸向預(yù)緊力只有螺栓屈服強(qiáng)度的30%-70%，甚至更低。造成螺栓利用率低，可靠性差。

扭矩+轉(zhuǎn)角法是先將螺栓緊固到門檻扭矩后繼續(xù)擰緊一個(gè)規(guī)定的角度，它可以使螺栓緊固至超彈性區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓性能的充分利用。螺栓的摩擦因數(shù)只對(duì)門檻扭矩有影響，在轉(zhuǎn)角階段，預(yù)緊力與摩擦因數(shù)無(wú)關(guān)。為了獲取穩(wěn)定、可靠的預(yù)緊力，一般考慮三個(gè)階段的影響因素，曲線如圖1所示。

表1

3 影響因素分析

針對(duì)緊固過程的三個(gè)階段出現(xiàn)的影響因素，收集曲線加以分析，并調(diào)查研究成因。

3.1 緊固至轉(zhuǎn)角起點(diǎn)階段的影響因素

粘滑是兩物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦引起的自激共振現(xiàn)象，在擰緊過程中扭矩隨著角度的變化劇烈波動(dòng)并產(chǎn)生螺栓“尖叫”。在扭矩從0擰緊至轉(zhuǎn)角起點(diǎn)過程中出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象，可能造成扭矩提前達(dá)到轉(zhuǎn)角起點(diǎn)，使得最終的夾緊力偏小，擰緊曲線如圖2。

粘滑的主要成因：①過高的連接件表面粗糙度；②過高的摩擦系數(shù)；③過高或者過低的擰緊速度；④過低的反力臂剛度；⑤緊固過程中產(chǎn)生高溫；⑥不連續(xù)的擰緊。

3.2 轉(zhuǎn)角階段的影響因素

粘滑擰緊在轉(zhuǎn)角階段也是影響因素之一，可能造成過程中扭矩超出報(bào)警扭矩上限值從而出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，需更換新螺栓而影響生產(chǎn)。成因與在門檻扭矩以內(nèi)階段出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象類似。

圖1

圖2

在轉(zhuǎn)角階段也出現(xiàn)擰緊過程中扭矩突降至0，出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，而后又繼續(xù)上升，擰緊曲線圖如下（圖3）。

圖3

擰緊過程出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的原因：在緊固過程中擰緊軸電槍套筒脫出螺帽后又繼續(xù)緊固現(xiàn)象造成“脫帽空轉(zhuǎn)”，但最終扭矩在半徑扭矩范圍之內(nèi)，由于轉(zhuǎn)角角度不足最終使得夾緊力偏小。為了避免“脫帽空轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，可從兩方面改進(jìn)：①電槍程序作扭矩下降的監(jiān)控，出現(xiàn)問題立即報(bào)警；②改進(jìn)擰緊軸電槍機(jī)械臂機(jī)構(gòu)，增加緊固過程往上挺的機(jī)構(gòu)。

除了“脫帽空轉(zhuǎn)”現(xiàn)象外，比較常見問題是轉(zhuǎn)角階段出現(xiàn)扭矩突降至某個(gè)值又突升值原來(lái)的扭矩曲線，形成倒尖角狀（如圖4），每個(gè)倒尖角角度為1°～5°不等。調(diào)查發(fā)現(xiàn)是連接件之間的間隙過多、過大引起的，例如某車型的副車架與車身大梁件的配合截面圖5所示，各部件間存在較多的間隙。

圖4

圖5

避免扭矩曲線“倒尖角”現(xiàn)象出現(xiàn)，可從兩方面改進(jìn)：① 改進(jìn)連接件結(jié)構(gòu)，減少部件間隙；② 電槍程序作扭矩下降的監(jiān)控，出現(xiàn)問題立即報(bào)警。

3.3 超彈性區(qū)域的影響因素

螺栓變形在屈服點(diǎn)上下的區(qū)域處于超彈性區(qū)域。在這個(gè)階段常見的問題擰緊曲線為隨著轉(zhuǎn)角的增加，扭矩下降但仍在報(bào)警扭矩范圍之內(nèi)，如圖6。這是明顯的“過屈服”現(xiàn)象，故障車螺栓明顯出現(xiàn)滑牙甚至頸縮現(xiàn)象。

圖6

調(diào)查分析問題的成因主要為，①螺母或者螺栓螺牙不合格、平牙；②螺栓/螺母機(jī)械性能不合格；③緊固時(shí)歪斜強(qiáng)打，無(wú)預(yù)緊。主要的解決方法為：①增加電槍程序監(jiān)控，識(shí)別報(bào)警并更換螺栓；②提高螺栓/螺母機(jī)械性能等。

4 擰緊軸電槍程序優(yōu)化

4.1 粘滑問題的電槍程序優(yōu)化

一般地，消除粘滑現(xiàn)象可以通過優(yōu)化電槍程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要方法有：①降低擰緊速度；②降低步驟間的加速度；③在步驟間增加扭矩保持一定時(shí)間；④提高第一步的目標(biāo)力矩值；⑤變更擰緊順序；⑥防止在較高扭矩處重新擰緊；⑦防止太多的擰緊步驟；等等。

4.2 “脫帽空轉(zhuǎn)”及“扭矩倒尖角”現(xiàn)象的電槍程序監(jiān)控

在轉(zhuǎn)角階段，在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，監(jiān)控在轉(zhuǎn)角窗口中扭矩在設(shè)定范圍內(nèi)，超出這個(gè)范圍，電槍自動(dòng)報(bào)錯(cuò)，如下圖7中的曲線所示。

圖7

4.3 扭矩斜率的電槍程序監(jiān)控

為了防止在超彈性區(qū)域中出現(xiàn)“過屈服”現(xiàn)象，一種方法是在電槍程序監(jiān)控轉(zhuǎn)角的最后階段對(duì)曲線進(jìn)行斜率監(jiān)控，在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，監(jiān)控扭矩增量與轉(zhuǎn)角增量的比例（即斜率）在設(shè)定范圍內(nèi)，超出這個(gè)范圍，電槍自動(dòng)報(bào)錯(cuò)，如圖8的曲線所示。

圖8

另一種方法是，監(jiān)控電槍的關(guān)斷扭矩與峰值扭矩（如圖1所示）的比例（r=Tshuftoff/ Tpeak）在設(shè)定范圍內(nèi)，超出這個(gè)范圍，電槍自動(dòng)報(bào)錯(cuò)。

5 緊固部位的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前某車型的副車架緊固結(jié)構(gòu)中有多達(dá)6處部位可能存在間隙，緊固過程中夾緊力需要消除這些間隙。在緊固過程中，曲線會(huì)發(fā)生波動(dòng)從而觸發(fā)部分電槍程序監(jiān)控設(shè)置，引起錯(cuò)誤報(bào)警；若部分間隙未完全消除，在車輛使用后這部分間隙慢慢消除，從而使得殘余扭矩衰減。應(yīng)該從設(shè)計(jì)源頭上去優(yōu)化副車架緊固部位的結(jié)構(gòu)，例如副車架內(nèi)部的鋼套可以貫穿副車架上下兩面，大梁鈑金增加厚度，減少加強(qiáng)板。例如以下圖9、圖10結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

6 總結(jié)

本文從副車架扭矩+轉(zhuǎn)角法各階段的常見問題及成因分析、電槍程序監(jiān)控和副車架緊固部位結(jié)構(gòu)三個(gè)方面對(duì)副車架扭矩+轉(zhuǎn)角法緊固優(yōu)化進(jìn)行了探討，總結(jié)出了扭矩+轉(zhuǎn)角法電槍程序設(shè)置的一些方法，為新車型采用扭矩+轉(zhuǎn)角法的擰緊質(zhì)量控制提供了借鑒和參考。

圖9 內(nèi)部鋼套貫穿副車架

圖10 減少加強(qiáng)板，鋼套貫穿副車架