某車型副車架和車身接口的設計優化

閆昊 王艷萍 徐連美 卞敏峰

通過解決某車型副車架和車身安裝螺栓松弛引起的異響和斷裂問題，分析造成螺栓夾緊力不足的原因，論述被連接件接頭的設計質量決定了接頭緊固質量問題。使用滾齒套筒可以提高摩擦系數，但一定要合理設計滾齒的形狀和尺寸。副車架和車身的2個套筒端面面積要有合理的比值。為了保證滾齒嵌入量，連接面的硬度差必須足夠大，同時使用扭矩轉角法保證夾緊力穩定。底盤異響;螺栓斷裂;套筒滾花齒;扭矩轉角法

0 前言

當汽車緊固連接失效時，最后的失效形式表現為螺栓、螺母松動甚至斷裂。但是，原因大多時候并不是緊固件的質量有問題，而是初始的緊固工藝設計不合理，還有被連接件接頭設計不佳，或者制造質量有缺陷，使得零件間的匹配不好，導致接頭在工作負荷下發生夾緊力的衰減，引起連接失效[1]。

本文通過解決某車型副車架和車身安裝螺栓松弛引起的異響和斷裂問題，分析造成螺栓夾緊力不足的原因，論述被連接件接頭的設計質量決定接頭的緊固質量問題。為了保證2個連接面之間的嵌入量，連接面的硬度差必須足夠大，同時使用扭矩轉角法保證夾緊力穩定。副車架和車身的2個套筒端面面積要有合理的比值。為了保證滾齒嵌入量，2個連接面的硬度差必須大于設定的值，同時使用扭矩轉角法保證夾緊力的穩定。

1 問題描述

某車型在進行比利時路的試驗中，右前減震器處有“砰砰”的撞擊異響，檢查發現副車架前螺栓擰緊標線移位，螺栓松動，螺栓扭矩已經由設計值180 N·m衰減到140 N·m（左側）和95 N·m（右側）。同一車型的另外1輛試驗車在執行直線規范時，副車架位置出現“噠噠”異響，經檢查發現左前副車架固定螺栓斷裂（圖1）。在問題出現后，技術人員展開問題排查，共統計21臺車，其中有6臺車發現有副車架安裝點螺栓扭矩衰減問題。

2 原因分析

某車型的副車架和車身是被螺栓和車身套筒緊固連接在一起的。異響產生的實際原因是夾緊力不足，螺栓松動后2個零件之間有了間隙，發生了相對移動[2]。觀察螺栓斷口，判斷螺栓為疲勞斷裂，即在螺栓松動以后，2個零件之間的摩擦力消失，螺栓反復受到剪切力導致。如圖2所示，分析故障現象和產品結構，使用魚骨圖識別出造成夾緊力不足的主要因素。

2.1 檢查螺栓尺寸和性能

檢查螺栓摩擦系數，實際情況符合摩擦系數在012～0.18的技術要求，性能等級符合國標GB/T3098.1的10.9級螺栓性能要求。

2.2 螺栓軸力校核

在整車的開發中，工程師更重視零部件的可靠性設計，往往不重視連接點的設計和計算。螺栓螺母的擰緊扭矩采用的是經驗值。每當有連接失效，首先核算扭矩值的合理性。如表1所示，為典型試驗路況需求力和螺栓預緊力的計算結果[3]。

從計算結果中可以看出，副車架和車身在擰緊工藝為180 N·m時，使用不經處理的常規摩擦系數015的連接面不能滿足工況需求。實際上，為了提高摩擦系數，副車架套筒端面已經使用了滾花齒。可以推斷套筒端面的滾花齒沒有充分起到作用，所以要重點核查套筒的滾花齒的設計和制造質量。

2.3 配合面狀態檢查

如圖3所示，目測套筒端面發現滾花已經大幅度變形，車身底板的壓痕很淺，滾花沒有嵌入車身底板內。

檢查套管滾花端面和車身底板的硬度，發現副車架端面硬度值為184 HV，車身鋼板硬度為183 HV，2個連接面之間幾乎沒有硬度差。根據經驗，副車架套管比對手件鈑金硬度大40 HV以上才可形成嵌入式的壓痕。參考已有的車型，副車架套管硬度為270 HV～320 HV，和對手件鈑金硬度差在70 HV以上（圖4）。

檢查滾花齒的形狀和尺寸，齒形偏扁平，沒有對標車的圓角。對比車身套管端面與副車架套管端面的壓配面積的比例，推薦壓配面積比大于50%，但是問題車的壓配面積比只有26%。

3 主要原因分析

車架和車身連接松弛，造成噪聲和斷裂的主要原因是副車架套管和車身底板硬度差太小。其他原因有：（1）車身套管端面與副車架套管端面的壓配面積的比例不合理;（2）使用扭矩法工藝打緊使螺栓夾緊力變化范圍很大，夾緊力最低值偏低;（3）滾花的齒形形狀和尺寸不合理。

4 改進實施

在明確問題原因后，即可實施改進措施。研究更換原有材料為10B21新材料，提高滾花套管硬度，增加調質熱處理工藝，使套管硬度滿足270 HV～320 HV的技術要求。將車身套管下表面改為法蘭面結構，加載到車身鈑金的夾緊力更均勻，更容易形成均勻的壓痕（圖5）。

如表2所示，改變擰緊工藝，將扭矩法的扭矩值由180 N·m改為扭矩轉角法150 N·m+70 °，提升螺栓夾緊軸力，使夾緊力穩定在82 kN以上。

此外，進一步優化滾花的齒形形狀和尺寸。技術人員將上述措施實施后，所有試驗車再沒有出現異響和斷裂的事例。隨后，公司將相同措施全部用于正式生產，下線7 000多臺車，與售后部門確認未發現任何類似問題。

5 結論

在整車開發過程中，一定要重視連接接頭的設計、計算和驗證工作。在被連接件產品的過程控制中，對安裝孔區域的質量一定要嚴格把關，要合理設計滾齒的形狀和尺寸。為了保證滾齒嵌入量，連接面的硬度差必須足夠大。采用扭矩轉角法，通過控制螺栓的旋轉角度以控制螺栓的伸長量，使夾緊力只與螺栓的規格和系統的剛度相關，從而降低摩擦系數對螺栓的影響，得到穩定的夾緊力。

[1]葉又，黃平.汽車緊固件實用技術手冊[M].北京：中國質檢出版社，2018.

[2]劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3]VDI 2230高強度螺栓連接的系統計算（第一部分）[S].設計與研究協會，螺栓連接委員會，2010.