汽車安全帶緊固力矩衰減研究

田林，林濤，王杰，謝文風

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

安全帶在車輛發生緊急情況時，對乘員起著十分重要的保護作用，因此安全帶穩定可靠地緊固在車體框架上是先決條件。目前安全帶的緊固方式主要依靠螺栓連接，螺栓連接具有結構簡單、標準化程度高、拆裝便捷等優點，同時也可獲得較大緊固力，在汽車行業中應用廣泛[1]。在結構原理方面，螺紋連接本身具有自鎖性，但汽車在不同路況下長期行駛后，緊固結構會受到車身傳遞來的各向沖擊和振動，螺栓的緊固力矩會隨之發生變化[2-3]。若力矩發生衰減變化，且衰減十分嚴重時，螺栓將開始出現松動跡象，嚴重降低安全帶的緊固性能，進而影響乘員的安全保護性，所以穩定的螺栓緊固力矩十分重要。

1 影響因素及結構分析

某車型在試驗場完成3萬多公里的耐久試驗后，安全帶不同緊固點位均出現力矩衰減，最大衰減值有24 N·m左右，安全帶各零件的裝配位置如圖1所示，力矩衰減情況見表1。

圖1 安全帶各零件的裝配位置

表1 安全帶各零件的力矩衰減情況

1.1 力矩衰減影響因素

螺栓緊固力矩衰減在實際生產和使用過程中是一種十分常見的現象，這種現象在軟連接中表現得更為嚴重[4]。螺栓緊固力矩衰減的主要影響因素有：軟連接、被連接件磨損及壓潰、螺紋損傷、沖擊振動等，具體如圖2所示。王靜[4]分析了緊固策略、軟連接對力矩衰減的影響并提出了相應的改進措施。王曉斌和劉艷兵[5]通過建立力學模型，研究了被連接件磨損和壓潰、螺紋脫扣、橫向振動等因素對螺栓連接失效的影響，并制定了控制措施。吳洪亮等[6]的研究分析也表明，被連接件的塌陷及連接剛度下降也是力矩衰減的重要因素。王賡[7]通過動態仿真和振動試驗，發現彈簧墊圈對螺栓防松性能無提升效果，并從螺栓固有特性、緊固摩擦力、預緊力穩定性等方面提出了防松改進措施；另外，權毅等人[8]的研究表明，溫度對螺栓緊固力矩的衰減影響較小。

圖2 力矩衰減的影響因素

目前，大多數車型的安全帶緊固件的物理屬性大體相同，表2列舉了某車型安全帶緊固件的材料及強度等級。車輛在使用過程中會經歷不同的路況環境，受到的沖擊振動情況較為復雜；因此，文中在考慮其他影響因素無差異的情況下，主要對緊固組件的結構不同狀態進行討論分析。

表2 緊固件物理屬性

1.2 安全帶緊固結構狀態

汽車安全帶按組件類別大致可分為卷收器、導向環、高調器、鎖扣等子件，不同零件的安裝點，因車身鈑金的強度性能要求不同，緊固處的結構層狀態均有差異，如前文提到的某車型安全帶不同緊固位置的具體結構見表3。

表3 不同位置緊固結構層狀態

該車型的安全帶緊固點均采用7/16＂螺栓，強度8.8級，設計緊固力矩為(55±5) N·m，其中安全帶鎖扣的緊固結構層相對較復雜，如圖3所示。

圖3 安全帶鎖扣緊固結構

通過對安全帶不同零件部位的緊固結構狀態差異狀態的梳理，結合以往研究者對螺栓緊固力矩衰減的分析經驗，初步認為：緊固結構層中的彈簧墊圈、平墊圈和車身鈑金結構等件是導致高調器和鎖扣的螺栓出現較大力矩衰減的重要影響因素。

2 力矩衰減試驗分析

為了探究彈簧墊圈、平墊圈和車身鈑金結構3個因素對螺栓緊固力矩的影響性能，文中試驗分別采用靜態和動態兩種方式，其中動態試驗使用三軸綜合電動振動臺(如圖4所示)進行測試。

圖4 綜合電動振動試驗臺

2.1 彈簧墊圈和平墊圈影響分析

為了研究彈簧墊圈和平墊圈對緊固力矩的影響，試驗采用相同批次的緊固件零件，對螺栓不同緊固狀態的樣件(4種組合方式，每種狀態測試5組數據)按照設計力矩緊固后分別進行靜動態試驗。

其中，靜態試驗是將不同樣件分別進行靜置0.5天、1天、3天、5天、7天、15天后，測量對應的力矩變化情況并取平均值，見表4；動態測試是將不同狀態樣件通過工裝緊固在電動振動試驗臺上，試驗臺施加一定的振幅和頻率振動，且在X、Y、Z3個空間軸方向上進行測試，每個空間坐標軸上的試驗時間為8 h，見表5。

表4 螺栓不同緊固結構的力矩變化情況(靜態) N·m

表5 螺栓不同緊固結構的力矩變化情況(動態)

由表4、表5的數據可以得出：樣件在相同的力矩緊固后靜止放置，各組合樣件均出現不同程度的衰減，緊固初期力矩衰減較多，一定時間段內力矩會增大，彈簧墊圈和平墊圈對靜態力矩的影響較小。

經過24 h不同軸向的振動試驗后，螺栓的力矩衰減量較大，衰減量在30%左右，不同組合方式的力矩衰減程度出現較大差異。通過對比驗證得出：平墊圈對力矩的衰減基本無影響；彈簧墊圈對力矩衰減有著較大的影響，防松效果較差。莫易敏等[9]采用橫向振動試驗機對彈簧墊圈在螺栓緊固效能進行動態分析，研究結果也表明彈簧墊圈在一定程度上會減弱防松效果。

2.2 車身鈑金結構分析

安全帶總成不同子零件緊固在車身上的鈑金層數有差異，為探究其對螺栓緊固力矩的影響，從實車上切割不同部位的樣品，如圖5所示，螺栓均不帶彈簧墊圈和平墊圈。

將安全帶各零件按照設計力矩分別緊固在樣品上，工裝緊固于振動試驗臺上，試驗臺施加一定的振幅和頻率振動，且在X、Y、Z3個空間軸方向上進行測試，每個空間坐標軸上的試驗時間為8 h，試驗后結果見表6。

圖5 車身切割的局部樣品

表6 不同鈑金層數的螺栓緊固振動試驗結果

根據表6的試驗結果，安全帶各子件在完成24 h動態振動試驗后力矩衰減為12.5～13.5 N·m，由此可看出車身鈑金層數對螺栓的緊固力矩衰減影響較小。

綜上，對比分析安全帶的緊固結構狀態差異，通過靜動態試驗研究得出，平墊圈和鈑金結構層數對力矩衰減影響較小，彈簧墊圈在車體動態振動中對緊固力矩的衰減影響較大。

3 改善措施及驗證

3.1 力矩衰減改善措施

早期螺栓緊固中使用彈簧墊圈，目的是防止由于嵌入導致的松動，但在較大的預緊力作用下彈簧墊圈被壓平，它將失去彈性力的補償功能，對力矩衰減并無改善作用[10]。

對于力矩衰減的改善，目前方式較多，例如：采用對頂螺母或自鎖螺母的方式進行摩擦防松；增加止動墊圈或開口銷等件進行機械防松；螺栓上增加螺紋鎖固膠破壞運動副連接防松；調整為多步擰緊、降低擰緊速度等工藝防松。

上述的不同防松方法各有優缺點，目前，在實際工程場景中，增加螺紋鎖固膠防松方法在汽車螺栓防松方法中應用較多，螺紋鎖固膠在螺栓擰緊后固化在螺紋副間形成一層膠膜，起到密封和鎖固的作用，阻止螺栓的回轉松動，大大提升螺栓的防松效果[11-12]。但螺紋鎖固膠基本屬于一次性用品，螺栓在緊固后重復擰出使用，防松的性能將會大大降低。

為改善安全帶緊固件的力矩衰減問題，在不增加零件成本和裝配工時的情況下，結合上述分析結果和以往研究者經驗，可采取的措施為：將螺栓組件中的彈簧墊圈取消掉，選用細牙螺紋的螺栓，控制好被連接件的制作加工精度。

3.2 實車驗證

為驗證去掉彈簧墊圈改善方案的實車效果，選擇了2臺車輛對力矩衰減較嚴重的鎖扣緊固點進行路試測驗，試驗效果見表7。將原車的螺栓拆除彈簧墊圈處理后，裝配好鎖扣緊固進行路試，車輛每行駛1圈后立即進行力矩測量，于常溫狀態下放置5 min后再次測量力矩值。

表7 改善方案路試效果

實車路試結果表明：螺栓組件原結構中取消彈簧墊圈后，力矩衰減問題有明顯的改善，且每圈路試后的力矩波動較小，處于穩定狀態。

4 結論

(1)通過對比試驗分析，彈簧墊圈的使用是導致安全帶緊固力矩衰減的主要原因，平墊圈對力矩衰減基本無影響；

(2)車身鈑金的焊接層數對螺栓緊固力矩衰減影響較小；

(3)實車路試驗證，取消彈簧墊圈對力矩衰減現象有明顯的改善作用，建議在后續其他車型上推廣應用。