新能源汽車電池上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減影響因素分析

中圖分類號： TH162+1 文獻標志碼：A DOI：10.19822/j.cnki.1671-6329.20240043

0 引言

動力電池作為新能源汽車的核心部件，其重要零部件（如上蓋、模組、電池管理系統和銅排等）和箱體總成普遍采用螺紋聯接。螺紋聯接結構力學性能對動力電池的密封性、可靠性和安全性影響重大。在緊固聯接過程中，靜態扭矩衰減是引起螺紋聯接失效的主要因素之一，一旦螺紋聯接失效將會造成嚴重的質量問題。陳躍等通過開展電池包整體隨機振動試驗，對比了試驗前后上下箱體緊固螺栓的扭矩變化。

結果顯示，隨著隨機振動時間加長，緊固螺栓的扭矩衰減程度加劇。黃衛峰2等通過振動試驗，分析了緊固件在振動后的扭矩衰減情況，提出了在新能源汽車電池系統不同位置安裝的注意事項。李小強3等分析了不同擰緊策略對航空發動機單螺栓連接預緊力的影響，具體包括扭矩法、扭矩-轉角法等擰緊方法和擰緊速度。羅忠4等分析了擰緊順序及擰緊速度對螺栓預緊力的影響，并揭示了預緊力隨時間的衰減機理。李龍晶等通過優化緊固扭矩、摩擦因數和螺紋嚙合長度，有效解決了緊固扭矩衰減嚴重的問題。

龍艷平等針對高壓油管接頭靜態扭矩衰減的問題進行了全面分析，指出降低擰緊轉速，采用分布擰緊法和合理定義安裝扭矩等方法，可有效改善其靜態扭矩衰減程度。梁書生和李標針對發動機水道絲堵 24h 靜態扭矩衰減問題進行了相關研究，通過試驗設計（DesignOfExperiment，DOE）優化擰緊扭矩、涂膠高度和墊片角度參數水平，降低了靜態扭矩衰減程度。

針對某新能源電池開發過程中上蓋緊固螺栓在振動激勵條件下存在靜態扭矩衰減的問題，本文運用多種分析手段尋找設計問題產生原因，并結合DOE試驗選擇優化設計方法，提出改善電池上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的解決方案。

1靜態扭矩衰減現象

該新能源汽車電池上蓋由62顆 M6×20 內六角花形盤頭螺栓聯接固定到電池箱體上，螺栓安裝扭矩工藝參數設定為 10±2N?m 。依據GB38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，完成36h振動試驗后，采用日本東日CEM50N3X12D-G扭力扳手對上蓋緊固螺栓靜態殘余扭矩進行抽樣。如圖1所示，虛線框內陰影部分小圓圈標注點為采樣上蓋的前后端和左右側緊固螺栓，測量結果如表1所示。

圖1靜態殘余扭矩試驗采樣示意

表1靜態殘余扭矩試驗結果

試驗結果表明，該新能源汽車電池在振動試驗后，上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減較為嚴重，衰減率約為 64% 。對該新能源汽車電池不同下線靜置時間的上蓋緊固螺栓靜態扭矩進行抽樣研究，下線靜置時間分別設定為 30min.1 天、1周和1個月，每個設定時間各取5個樣本。考慮到研究對象內在的因素對研究及結果真實性的可能影響，按照圖1靜態殘余扭矩試驗采樣示意對每個樣本的所有抽樣點進行測量，并計算該新能源電池的平均靜態殘余扭矩，結果發現電池衰減率約為 35% ，且隨著時間的推移，緊固螺栓的材料會發生一定的彈性變形和塑性變形，扭矩衰減的過程會逐漸減緩，直到達到穩定狀態。試驗結果如表2所示。

表2不同下線靜置時間電池靜態扭矩試驗結果 N?m

根據Q/JLYJ7111129B—2021《乘用車螺紋接頭靜態扭矩設計規范》5.1章，關于扭矩控制法靜態扭矩檢驗上限、下限和控制下限要求（表3）可得，在該新能源電池上蓋緊固螺栓安裝扭矩 T=10N?m 時，其靜態扭矩控制下限 LCL=7.125N?m 。實際檢測數據顯示，該新能源車型電池在完成裝配下線后，不同靜置時長的上蓋緊固螺栓靜態扭矩檢測值均未達到控制下限要求，表明當前工藝參數下的螺栓緊固質量存在系統性偏差。

表3扭矩控制法靜態扭矩檢驗上、下限和控制下限

注：T為裝配扭矩中值。

2試驗設計

DOE作為現代質量控制體系的核心工具，該方法通過科學設計試驗參數、合理規劃試驗方案，并運用數理統計分析手段識別關鍵影響因子，能夠確定關鍵參數的優化區間，最終形成兼顧經濟效益與工藝效能的最優工藝改進方案。

針對前文揭示的靜態扭矩控制下限不達標問題，本研究基于全因子試驗設計方法開展試驗設計與數據分析，結合故障樹分析法（FaultTreeAnalysis，FTA）對新能源汽車電池上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的潛在失效原因進行系統性分析，構建多層級故障樹模型（圖2），實現失效機理的可視化表征與根因追溯。

圖2故障樹分析

2.1工藝過程對靜態扭矩衰減的影響

2.1.1 箱體拉鉚螺母鉚接策略分析

該新能源汽車電池箱體密封面采用博爾豪夫FM10P（13）×25-8.8 規格的拉鉚螺母，推薦設置的安裝拉力 F=13000N ，而實際上箱體廠家安裝拉力工藝參數設置 14000～15000N 。

為了探究拉鉚螺母安裝拉力和箱體設計板厚對上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的影響，分別設置3個不同區間的拉鉚螺母安裝拉力工藝對 2.0mm 和 2.5mm 板厚的箱體進行試驗，上蓋緊固螺栓以 10N?m 的扭矩按照順序擰緊的方式鎖緊，在擰緊完成靜置 30min 后監控其靜態扭矩衰減的變化情況，并找到能使靜態扭矩達到最大的最佳條件。拉鉚螺母安裝工藝對衰減影響的試驗工藝條件如表4所示。

表4拉鉚螺母安裝工藝對衰減影響的試驗工藝條件

基于Minitab設計的隨機試驗矩陣，每個工藝條件組合各取1個樣本。為保證研究對象內在因素對研究及結果真實性的可能影響，按照圖1靜態殘余扭矩試驗采樣示意對每個樣本的所有抽樣點進行測量，計算該新能源電池的平均靜態殘余扭矩衰減率，并按順序完成試驗項目后所得的上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減率，如表5所示。

表5基于Minitab的隨機試驗矩陣及其結果

將表5數據復制到Minitab進行DOE分析，建立因子回歸模型。圖3是Minitab對試驗數據處理后的結果，從標準化效應圖可知，在顯著水平 α=0.05 的情況下，拉鉚螺母和壁厚的交互作用項顯著，且2個因子的影響顯著程度為拉力大于壁厚。考慮實際設計需求，在箱體板厚不變的情況下，適當提高拉鉚螺母的安裝拉力可以降低靜態扭矩的衰減。

圖3標準化效應

3.1.2上蓋緊固螺栓擰緊策略分析

為探究上蓋緊固螺栓擰緊扭矩、擰緊順序和分步擰緊對其靜態扭矩衰減的影響，分別設置幾組不同的工藝策略，采用正交試驗設計進行試驗，在擰緊完成靜置 30min 后監控其靜態扭矩衰減的變化情況，并找到能使靜態扭矩達到最大的最佳條件。擰緊策略對衰減影響的試驗工藝條件，如表6所示。

表6擰緊策略對衰減影響的試驗工藝條件

基于Minitab設計的隨機試驗矩陣，每個工藝條件組合各取1個樣本。為保證研究對象內在因素對研究及結果真實性的可能影響，按照圖1靜態殘余扭矩試驗采樣示意對每個樣本的所有抽樣點進行測量，計算該新能源電池的平均靜態殘余扭矩衰減率，并按順序完成試驗項目后所得的上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減率，如表7所示。

表7基于Minitab的隨機試驗矩陣及其結果

將表5數據復制到Minitab生成靜態扭矩主效應圖和交互作用圖，如圖4所示。采用 12N?m 的擰緊扭矩和二步擰緊可降低上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減，星形擰緊較順序擰緊有利于靜態扭矩的保持，但效果不是非常顯著。

（a）各因子主效應圖

2.2產品結構對靜態扭矩衰減的影響

2.2.1拉鉚螺母對靜態扭矩衰減的影響

為探究拉鉚螺母對上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的影響，上蓋緊固螺栓分別按照產品設計狀態正常裝配和直接鎖入到箱體拉鉚螺母中進行對比試驗，如圖5和圖6所示。

圖5正常安裝界面

圖4主效應及交互作用圖

圖6螺栓與拉鉚螺母安裝界面

每個研究對象各取5個樣本，同樣為保證研究對象內在因素對研究及結果真實性的可能影響，按照圖1靜態殘余扭矩試驗采樣示意對每個樣本的所有抽樣點進行測量，計算該新能源電池的平均靜態殘余扭矩衰減率。在擰緊完成靜置 30min 后監控其靜態扭矩衰減的變化情況，試驗結果如表8所示。根據試驗結果可以判斷在相同的工況下驗證，上蓋緊固螺栓直接鎖人到箱體拉鉚螺母靜置 30min 后，其靜態扭矩幾乎無衰減，故可排除拉鉚螺母裝配工藝不當和拉鉚螺母裝配后應力釋放造成的扭矩衰減。

表8靜態扭矩試驗結果

注：NA表示擰緊扭矩無任何衰減。

3.2.2 緊固螺栓對靜態扭矩衰減的影響

為探究拉鉚螺母對上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的影響，對其相關性能進行檢測，試驗結果如表9～表11所示。試驗結果表明，影響上蓋緊固螺栓靜態扭矩的相關性能均滿足技術要求。

表9防松扭力試驗結果

表10硬度試驗結果

表11摩擦因數試驗結果

3.2.2密封墊對靜態扭矩衰減的影響

為探究密封墊對上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的影響，上蓋緊固螺栓分別按照產品設計狀態正常裝配和單獨取消密封墊后正常裝配進行對比試驗，如圖5和圖7所示。

每個研究對象各取5個樣本，為保證研究對象內在因素對研究及結果真實性的可能影響，按照圖1靜態殘余扭矩試驗采樣示意對每個樣本的所有抽樣點進行測量，計算該新能源電池的平均靜態殘余扭矩衰減率。在擰緊完成靜置 30min 后監控其靜態扭矩衰減的變化情況，試驗結果如表12所示。根據試驗結果，可以判斷在相同的工況下驗證，單獨取消密封墊且正常裝配靜置 30min 后，上蓋緊固螺栓同樣存在靜態扭矩衰減的情況，但衰減程度并沒有前者嚴重。這是因為在軟聯接的螺栓擰緊中，密封墊極易發生蠕變，造成靜態扭矩低于動態扭矩，從而導致上蓋緊固螺栓更易發生靜態扭矩衰減。

表12靜態扭矩試驗結果

3.2.3壓條背膠對靜態扭矩衰減的影響

為探究上蓋壓條背膠對上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的影響，上蓋緊固螺栓分別按照產品設計狀態正常裝配和單獨取消上蓋壓條背膠后正常裝配進行對比試驗，如圖5和圖8所示。

圖8無背膠安裝界面

每個研究對象各取5個樣本，為保證研究對象內在因素對研究及結果真實性的可能影響，按照圖1靜態殘余扭矩試驗采樣示意對每個樣本的所有抽樣點進行測量，計算該新能源電池的平均靜態殘余扭矩衰減率。在擰緊完成靜置 30min 后監控其靜態扭矩衰減的變化情況，試驗結果如表13所示。根據試驗結果，可以判斷在相同的工況下驗證，單獨取消壓條背膠且正常裝配靜置 30min 后，其靜態扭矩幾乎無衰減，故單獨取消壓條背膠可解決上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的問題。

表13靜態扭矩試驗結果

當前設計方案中壓條和上蓋是2個單獨的零件，由供應商通過背膠粘貼后供貨，此方式使電池裝配車間無需單獨裝配二者，有效提升整包裝配效率。然而，一旦取消壓條背膠，新能源電池裝配人員工作量將顯著增加，進而降低生產效率。為了兼顧試驗結果和實際生產需求，將背膠粘貼區域由全貼改為局部粘貼，同時避開上蓋緊固螺栓裝配區域，如圖9所示。

圖7無密封墊安裝界面

圖9壓條局部背膠狀態

再次驗證壓條背膠在3種狀態下，在上蓋靜螺栓擰緊完成靜置 30min 后靜態扭矩衰減的變化情況，試驗結果如圖10所示。結果表明，在相同的工況下，壓條無背膠狀態和局部背膠狀態對上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的影響并無明顯差異。

圖10壓條背膠狀態的箱線圖

3上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減改進措施驗證

根據上述分析，結合具體的設計需求和聯接工況，對上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減問題改善措施取最優工藝設計組合，進一步擴大試驗驗證。試驗工藝條件如表14所示。

表14優化后的工藝條件

為保證研究對象內在因素對研究及結果真實性的可能影響，按照圖1靜態殘余扭矩試驗采樣示意對100個該新能源電池的所有抽樣點進行測量，計算其平均靜態殘余扭矩。在擰緊完成靜置 30min 后監控其靜態扭矩衰減的變化情況，試驗結果如圖11所示。圖11表明， C_pk=2.18 ，在優化后工藝條件下，上蓋緊固螺栓 30min 靜置后的靜態扭矩從優化前的 6.4N?m 提升到樣本均值 10.19N?m ，提升效果顯著。

圖11優化后靜態扭矩的過程能力

依據GB38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》完成 36h 振動試驗后，再次采用日本東日CEM50N3X12D-G扭力扳手按照圖1對前后端和左右側虛線框內陰影部分小圓圈標注的緊固螺栓靜態殘余扭矩進行測量，測量結果如表15所示。

表15靜態殘余扭矩試驗結果 N?m

可見，經過在長時間振動作用下，螺栓的扭矩稍有衰減但仍保持在 8N?m 以上，大于其靜態扭矩控制下限 LCL=7.125N?m 的要求，滿足Q/JLYJ7111129B—2021《乘用車螺紋接頭靜態扭矩設計規范》5.1章關于扭矩控制法靜態扭矩檢驗上限、下限和控制下限要求。

4結束語

針對某新能源汽車電池在振動試驗后上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減問題，文章對可能導致的原因根據FTA方法進行系統分析，并結合DOE試驗分析手段對靜態扭矩衰減進行評價，確定該問題產生的主要原因和應對方案。在優化后工藝條件下，上蓋緊固螺栓30min 靜置后的靜態扭矩從優化前的 6.4N?m 左右提升到樣本均值 10.19N?m 。此外，經過在長時間振動的作用下，螺栓的扭矩稍有衰減但仍保持在 8N?m 以上，滿足Q/JLYJ7111129B—2021《乘用車螺紋接頭靜態扭矩設計規范》5.1章節扭矩控制法靜態扭矩大于其靜態扭矩控制下限LCL為 7.125N?m 的要求。應對方案提升效果顯著，并得出如下結論：（1）適當提升拉鉚螺母安裝拉力可降低上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的程度。（2）因子擰緊扭矩、分步擰緊和擰緊順序的交互作用對響應變量靜態扭矩衰減的影響是顯著的。（3）提升擰緊扭矩、采用兩步擰緊以及星形順序擰緊可以降低上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減的程度。（4）采用壓條局部背膠可以降低上蓋緊固螺栓靜態扭矩衰減。

參考文獻

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（責任編輯明慧）

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