某車型副車架和車身接口的設(shè)計(jì)優(yōu)化

閆昊 王艷萍 徐連美 卞敏峰

通過(guò)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(wèn)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(shè)計(jì)質(zhì)量決定了接頭緊固質(zhì)量問(wèn)題。使用滾齒套筒可以提高摩擦系數(shù)，但一定要合理設(shè)計(jì)滾齒的形狀和尺寸。副車架和車身的2個(gè)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(shí)使用扭矩轉(zhuǎn)角法保證夾緊力穩(wěn)定。底盤異響;螺栓斷裂;套筒滾花齒;扭矩轉(zhuǎn)角法

0 前言

當(dāng)汽車緊固連接失效時(shí)，最后的失效形式表現(xiàn)為螺栓、螺母松動(dòng)甚至斷裂。但是，原因大多時(shí)候并不是緊固件的質(zhì)量有問(wèn)題，而是初始的緊固工藝設(shè)計(jì)不合理，還有被連接件接頭設(shè)計(jì)不佳，或者制造質(zhì)量有缺陷，使得零件間的匹配不好，導(dǎo)致接頭在工作負(fù)荷下發(fā)生夾緊力的衰減，引起連接失效[1]。

本文通過(guò)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(wèn)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(shè)計(jì)質(zhì)量決定接頭的緊固質(zhì)量問(wèn)題。為了保證2個(gè)連接面之間的嵌入量，連接面的硬度差必須足夠大，同時(shí)使用扭矩轉(zhuǎn)角法保證夾緊力穩(wěn)定。副車架和車身的2個(gè)套筒端面面積要有合理的比值。為了保證滾齒嵌入量，2個(gè)連接面的硬度差必須大于設(shè)定的值，同時(shí)使用扭矩轉(zhuǎn)角法保證夾緊力的穩(wěn)定。

1 問(wèn)題描述

某車型在進(jìn)行比利時(shí)路的試驗(yàn)中，右前減震器處有“砰砰”的撞擊異響，檢查發(fā)現(xiàn)副車架前螺栓擰緊標(biāo)線移位，螺栓松動(dòng)，螺栓扭矩已經(jīng)由設(shè)計(jì)值180 N·m衰減到140 N·m（左側(cè)）和95 N·m（右側(cè)）。同一車型的另外1輛試驗(yàn)車在執(zhí)行直線規(guī)范時(shí)，副車架位置出現(xiàn)“噠噠”異響，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)左前副車架固定螺栓斷裂（圖1）。在問(wèn)題出現(xiàn)后，技術(shù)人員展開問(wèn)題排查，共統(tǒng)計(jì)21臺(tái)車，其中有6臺(tái)車發(fā)現(xiàn)有副車架安裝點(diǎn)螺栓扭矩衰減問(wèn)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(chǎn)生的實(shí)際原因是夾緊力不足，螺栓松動(dòng)后2個(gè)零件之間有了間隙，發(fā)生了相對(duì)移動(dòng)[2]。觀察螺栓斷口，判斷螺栓為疲勞斷裂，即在螺栓松動(dòng)以后，2個(gè)零件之間的摩擦力消失，螺栓反復(fù)受到剪切力導(dǎo)致。如圖2所示，分析故障現(xiàn)象和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使用魚骨圖識(shí)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(shù)，實(shí)際情況符合摩擦系數(shù)在012～0.18的技術(shù)要求，性能等級(jí)符合國(guó)標(biāo)GB/T3098.1的10.9級(jí)螺栓性能要求。

2.2 螺栓軸力校核

在整車的開發(fā)中，工程師更重視零部件的可靠性設(shè)計(jì)，往往不重視連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。螺栓螺母的擰緊扭矩采用的是經(jīng)驗(yàn)值。每當(dāng)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(yàn)路況需求力和螺栓預(yù)緊力的計(jì)算結(jié)果[3]。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，副車架和車身在擰緊工藝為180 N·m時(shí)，使用不經(jīng)處理的常規(guī)摩擦系數(shù)015的連接面不能滿足工況需求。實(shí)際上，為了提高摩擦系數(shù)，副車架套筒端面已經(jīng)使用了滾花齒。可以推斷套筒端面的滾花齒沒(méi)有充分起到作用，所以要重點(diǎn)核查套筒的滾花齒的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量。

2.3 配合面狀態(tài)檢查

如圖3所示，目測(cè)套筒端面發(fā)現(xiàn)滾花已經(jīng)大幅度變形，車身底板的壓痕很淺，滾花沒(méi)有嵌入車身底板內(nèi)。

檢查套管滾花端面和車身底板的硬度，發(fā)現(xiàn)副車架端面硬度值為184 HV，車身鋼板硬度為183 HV，2個(gè)連接面之間幾乎沒(méi)有硬度差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，副車架套管比對(duì)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(duì)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(méi)有對(duì)標(biāo)車的圓角。對(duì)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(wèn)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(jìn)實(shí)施

在明確問(wèn)題原因后，即可實(shí)施改進(jìn)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(diào)質(zhì)熱處理工藝，使套管硬度滿足270 HV～320 HV的技術(shù)要求。將車身套管下表面改為法蘭面結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)角法150 N·m+70 °，提升螺栓夾緊軸力，使夾緊力穩(wěn)定在82 kN以上。

此外，進(jìn)一步優(yōu)化滾花的齒形形狀和尺寸。技術(shù)人員將上述措施實(shí)施后，所有試驗(yàn)車再?zèng)]有出現(xiàn)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(chǎn)，下線7 000多臺(tái)車，與售后部門確認(rèn)未發(fā)現(xiàn)任何類似問(wèn)題。

5 結(jié)論

在整車開發(fā)過(guò)程中，一定要重視連接接頭的設(shè)計(jì)、計(jì)算和驗(yàn)證工作。在被連接件產(chǎn)品的過(guò)程控制中，對(duì)安裝孔區(qū)域的質(zhì)量一定要嚴(yán)格把關(guān)，要合理設(shè)計(jì)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(zhuǎn)角法，通過(guò)控制螺栓的旋轉(zhuǎn)角度以控制螺栓的伸長(zhǎng)量，使夾緊力只與螺栓的規(guī)格和系統(tǒng)的剛度相關(guān)，從而降低摩擦系數(shù)對(duì)螺栓的影響，得到穩(wěn)定的夾緊力。

[1]葉又，黃平.汽車緊固件實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2018.

[2]劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3]VDI 2230高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算（第一部分）[S].設(shè)計(jì)與研究協(xié)會(huì)，螺栓連接委員會(huì)，2010.