消隙力對緊固連接的影響分析

張鴻雁，莫立權，喻 煒Zhang Hongyan，Mo Liquan，Yu Wei

消隙力對緊固連接的影響分析

張鴻雁，莫立權，喻 煒
Zhang Hongyan，Mo Liquan，Yu Wei

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

通過有限元分析、夾緊力測試和計算校核的方法，研究U型開口鈑金與零部件間隙配合時，消隙力對緊固連接的影響，結果表明消隙力會降低被夾緊件的夾緊力，進而降低接頭的抗滑移安全系數，因此在正向設計時將消隙力分析結果用于緊固連接抗滑移安全系數的校核中，有助于提高緊固連接計算校核的精度。

消隙力；夾緊力測試；抗滑移安全系數

0 引 言

緊固連接是汽車設計的重要部分，其質量影響整車安全。在汽車連接中U型開口鈑金與被連接件連接的設計較為常見，為了便于裝配，U型開口鈑金與被連接件在設計上存在一定的間隙。螺栓裝配時，用于消除鈑金與被夾緊件之間的間隙所消耗的力稱為消隙力。消隙力的存在使得被連接件兩端的夾緊力低于螺栓的軸向力，可能會造成夾緊力不足。連接松動往往是由夾緊力不足造成，因此在正向設計時考慮消隙力對連接性能的影響尤為重要。

1 研究對象

某車型控制臂與前副車架安裝前點為U型開口鈑金設計，襯套與U型開口為間隙設計，車型研發階段的耐久試驗中出現了扭矩衰減，存在夾緊力不足問題。對控制臂前點進行有限元模擬、臺架測試及計算校核，探索消隙力對夾緊力及抗滑移性能的影響。

2 研究方法

采用有限元模擬、夾緊力測試及計算校核進行消隙力分析。

有限元模擬中建立帶有間隙的連接模型，通過螺栓施加軸向力，模擬裝配過程；提取螺栓軸向力及襯套兩端的壓力，通過差值計算獲得鈑金與襯套貼合時的消隙力。

通過夾緊力測試對零部件樣件進行裝配驗證，獲得螺栓軸向力-角度曲線，通過曲線斜率變化判斷貼合點，進而判斷夾緊力損失。

在MDESIGN-Bolt軟件計算校核過程中引入消隙力，修正抗滑移安全系數校核結果。

3 分析與驗證

3.1 有限元分析

建立有限元模型，如圖1所示。

圖1 模型示意圖

鈑金與襯套設計間隙為0.5～1.3 mm，襯套一端與鈑金貼合，另一端存在間隙，分別對間隙0.5、0.9、1.3 mm進行建模；鈑金單元為S4R，螺栓、螺母采用C3D10M，墊圈、襯套為C3D8R；螺栓軸向力設置為0～40 kN。

經過有限元分析，提取螺栓軸向力及襯套側的壓力，根據二者差值計算出消隙力，如圖2所示。在間隙存在情況下，襯套表面壓力為0 N，開始的螺栓軸向力用于消除間隙；當軸向力增大到一定值后，襯套與鈑金開始局部貼合時，襯套表面產生壓力；隨著螺栓軸向力繼續增大，用于增大貼合面積的消隙力略有增加，最終裝配平面完全貼合后消隙力趨于穩定。

圖2 消隙力、襯套側壓力與軸向力的關系曲線

提取初始貼合點及40 kN軸向力時的螺栓軸向力、襯套側壓力，根據二者差值計算出消隙力，如圖3所示。隨著裝配間隙增大，初始貼合時的消隙力逐漸增大，近似線性關系；隨著裝配間隙增大，軸向力40 kN時消隙力逐漸增大，并且斜率逐漸減小。

圖3 消隙力與間隙的關系曲線

3.2 夾緊力測試驗證

將前副車架與控制臂樣件上的螺栓擰緊至屈服，利用美國MCI公司的超聲波軸力測量儀同步獲得螺栓軸向力-角度曲線，如圖4所示。

圖4 螺栓軸向力-角度曲線

螺栓軸向力-角度曲線起始階段存在近似線性ab段，此階段為鈑金變形至與襯套開始貼合；隨后bc段斜率逐漸上升，此階段為嵌入損失和完全貼合；完全貼合后進入斜率穩定的cd段，此階段夾緊力迅速提升。

襯套為滾花設計，初始貼合后嵌入損失與貼合變形損失共同存在，無法獲得消隙力變化，因此試驗僅針對初始貼合時的消隙力進行討論。

圖4中測試螺栓的螺距為1.5 mm，根據a、b兩點間的旋轉角度，計算出ab段消除了鈑金與襯套間的間隙約為0.89 mm；根據圖3所示，當間隙為0.89 mm時，初始貼合消隙力為10 kN，與實測值8.856 kN接近。

有限元分析和臺架測試驗證表明，在控制臂與前副車架安裝前點為U型鈑金開口與襯套間隙的設計情況下存在較大的消隙力，因此，緊固連接計算校核需要考慮消隙力的影響。

4 計算校核結果修正

將簡化的連接模型輸入MDESIGN-Bolt軟件，并輸入外載荷、裝配扭矩、摩擦系數等相關參數進行抗滑移安全系數[1-2]的計算，具體參數見表1。

表1 計算校核主要輸入參數

續表1

間隙越大，消隙力越大，抗滑移安全系數越低，控制臂與前副車架安裝前點設計最大間隙為1.3 mm，為保證連接位置的安全可靠，對最大間隙1.3 mm進行計算，結果見表2，在不考慮消隙力的情況下，采用170 Nm裝配后的抗滑移安全系數為1.8，滿足抗滑移安全系數大于1.2的要求。

根據有限元分析可知，近似完全貼合后，隨著軸向力增大到30 kN，消隙力趨于穩定。當裝配軸向力大于40 kN時，消隙力采用40 kN裝配軸向力下的消隙力近似計算。由圖3可知，在40 kN裝配軸向力下，當間隙為1.3 mm時，存在15.62 kN消隙力，則在170 Nm裝配軸向力下，需要調整嵌入損失量，將消隙力15.62 kN考慮在內，計算抗滑移安全系數為1.06，不滿足大于1.2的要求。在螺栓強度允許范圍內，隨著裝配扭矩的增加，抗滑移安全系數增大，根據經驗將裝配扭矩提高至190 Nm進行計算校核。當增大扭矩至190 Nm時，最小裝配軸向力為55.35 kN，將消隙力15.62 kN考慮在內，計算抗滑移安全系數為1.33，滿足大于1.2的要求。

表2 計算校核輸出結果

綜上分析可得，在連接結構間隙配合的情況下，消隙力會導致抗滑移能力降低，適當提高扭矩可以減少因消除間隙造成的夾緊力損失。

5 結 論

通過有限元分析、夾緊力測試驗證及計算校核，對控制臂與前副車架安裝前點為U型開口鈑金的間隙設計進行分析，結果表明間隙設計情況下，被夾緊件的夾緊力小于螺栓軸向力，同時降低抗滑移安全系數，因此，正向設計時需要考慮消隙力對連接的影響。為降低消隙力的影響提出以下建議：

（1）在滿足裝配便利性的前提下減小設計間隙；

（2）在螺栓及被夾緊件強度允許的范圍內，適當提升扭矩。

[1]酒井智次.螺紋緊固件連接工程[M].柴之龍譯.北京：機械工業出版社，2016：27-29.

[2]VDI. Systematic Calculation of Highly Stressed Bolted Joints-Joints with One Cylindrical Bolt: VDI2230 Part1[S]. Düsseldorf： Verein Deutscher Ingenieure e.V，2014.

2021-07-28

1002-4581（2021）06-0014-03

U463.32+6.03

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.06.004