電動(dòng)汽車電池支架緊固件裝配工藝正向開發(fā)

1 緊固件斷裂是一種非常嚴(yán)重的失效形式，當(dāng)緊固件力學(xué)性能不足或材料存在組織缺陷時(shí)，易造成使用過程中斷裂。現(xiàn)階段由于緊固件廠家的技術(shù)提升以及生產(chǎn)工藝的成熟，因材料本身原因?qū)е碌臄嗔咽г絹碓缴伲捎诰o固力不足使緊固件先發(fā)生松動(dòng)繼而出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象卻在行業(yè)內(nèi)已成為一個(gè)嚴(yán)峻的問題。在汽車制造領(lǐng)域，當(dāng)緊固件松動(dòng)時(shí)，可能會(huì)形成部件之間的摩擦異響，若緊固件斷裂，造成被連接件分離，可能會(huì)帶來嚴(yán)重的交通事故。某車型電池包通過緊固件與支架進(jìn)行連接，運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)現(xiàn)其中一顆螺栓斷裂，其余螺栓發(fā)生嚴(yán)重松動(dòng)，初步懷疑原裝配工藝防松效果差導(dǎo)致。結(jié)合失效分析手段，研究了緊固件裝配可靠性的各種影響因素之間的關(guān)系，提出一種裝配工藝的正向開發(fā)流程，為其他關(guān)鍵緊固件連接副的設(shè)計(jì)提供了參考。

2 緊固件工作原理

使用緊固件目的是將 2 個(gè)及以上零部件緊固在一起，其功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是被連接件之間的夾緊力，用以保證抵抗外部各向載荷，防止連接件的松動(dòng)。夾緊力來源于螺栓和被緊固件的形變產(chǎn)生的彈力，因此目標(biāo)是得到足夠的夾緊力，而不是常見的扭矩。預(yù)緊之后，緊固件會(huì)產(chǎn)生彈性變形，夾緊力過大會(huì)使螺栓發(fā)生塑性變形甚至直接被拉斷，或被連接件表面壓潰嚴(yán)重，夾緊力過小不能提供足夠的預(yù)緊作用，因此需要在使用時(shí)對(duì)連接副進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。夾緊力在實(shí)際工程使用中很難直接控制，一般通過控制其他參數(shù)來控制夾緊力，*常見的就是控制裝配力矩，如扭矩法[1] ，它是一種常規(guī)的擰緊方法，利用扭矩與預(yù)緊力的線性關(guān)系在螺栓彈性范圍內(nèi)進(jìn)行緊固的一種方法，以扭矩的大小表征預(yù)緊力，其運(yùn)用起來方便簡(jiǎn)單，大多數(shù)零部件連接均采用該法，但由于精度不高導(dǎo)致擰緊質(zhì)量達(dá)不到滿意效果，若要保證較高的擰緊精度，還有扭矩-轉(zhuǎn)角法、屈服點(diǎn)控制法等多種裝配方式，運(yùn)用在發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)等重要部件中。

3 緊固件裝配工藝設(shè)計(jì)思路

3.1 裝配扭矩與夾緊力的關(guān)系

扭矩法通過扭矩對(duì)夾緊力進(jìn)行控制，受螺紋參數(shù)規(guī)格、摩擦系數(shù)等影響，根據(jù)德國(guó) VDI 2230：2003 高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[2] ，扭矩與夾緊力的關(guān)系見式（1）： 

式中，T為總扭矩，P為螺距，F0 為夾緊力，μs 為螺紋摩擦系數(shù)，d2 為螺紋中徑，β 為螺紋升角，μw 為螺栓承面摩擦系數(shù)，Dw 為螺栓摩擦面外徑，Dki 為螺栓摩擦面內(nèi)徑。

在實(shí)際使用過程中，螺栓表面生銹、沾有潤(rùn)滑油、螺紋接觸面存在異物、螺紋磕傷、螺紋精度不足均會(huì)對(duì)緊固件的夾緊力造成影響。

 3.2 裝配工藝開發(fā)流程

緊固件裝配工藝在開發(fā)時(shí)，還需要考慮如擰緊工具的選用、裝配程序、摩擦系數(shù)值、被連接件

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性、擰緊工藝的可靠性等影響因素，開發(fā)過程可遵循以下流程：

a. 載荷提取及計(jì)算。載荷是指實(shí)際車輛在行駛過程，部件受到的外力大小，以緊固件為受力目標(biāo)，外部載荷分類為 X、Y、Z三向受力，通過路譜采集或動(dòng)力學(xué)計(jì)算所需軸向*小夾緊力；

b.緊固件選型，結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)。根據(jù)載荷大小對(duì)緊固件進(jìn)行選型，由螺栓材料性能計(jì)算螺栓可承

受*大拉力，確定螺栓預(yù)緊情況和工作載荷，通過摩擦系數(shù)計(jì)算螺栓連接中的殘余預(yù)緊力，確定連接緊密性，擰緊力矩，結(jié)構(gòu)件參數(shù)，通過緊固件的保證載荷和*大應(yīng)力來評(píng)估緊固件是否滿足設(shè)計(jì)，或當(dāng)前情況是否充分發(fā)揮緊固件性能；

c.零部件臺(tái)架、整車路試驗(yàn)證。將仿真計(jì)算結(jié)果用于試驗(yàn)，分析仿真和試驗(yàn)結(jié)果的差別，若誤差較大，尋找關(guān)鍵影響因素，對(duì)緊固件進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn)抽查，模擬裝配制定初始擰緊扭矩，在評(píng)價(jià)時(shí)可通過扭矩或夾緊力進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤；

d.確定工藝，裝配生產(chǎn)。經(jīng)耐久工況試驗(yàn)后，剩余扭矩或夾緊力衰減值若滿足要求，可釋放工藝，車間在進(jìn)行裝配時(shí)，需要嚴(yán)格遵守?cái)Q緊工序，必要時(shí)可使用擰緊軸提高擰緊精度。

4 某車型電池包緊固件失效

4.1 失效特征

某車型電池包通過螺栓與鋼制支架進(jìn)行連接，所用螺栓規(guī)格為 M10×1.5，10.9 級(jí)，支承面帶齒，表面達(dá)克羅處理，裝配工藝為扭矩法，安裝扭矩45 N·m，采用人工手動(dòng)擰緊。對(duì)售后線下車輛進(jìn)行電池包可靠性檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一顆螺栓出現(xiàn)斷裂，其余未斷裂螺栓漆標(biāo)未動(dòng)，但實(shí)際已發(fā)生較為嚴(yán)重的松動(dòng)（拆卸過程松動(dòng)扭矩極小，個(gè)別螺栓可通過手?jǐn)Q卸松）。從扭矩的衰減理論可知[3] ，主要為預(yù)緊軸力不足、多次小能量沖擊、支架局部塑性變形 3 種因素。對(duì)零部件觀察后基本可判斷前兩種因素影響較大。對(duì)斷裂的螺栓觀察宏觀斷口，表面隱約存在貝紋條線，具有剪切疲勞斷裂特征，說明螺栓是先產(chǎn)生的松動(dòng)繼而造成橫向斷裂。通過以上分析，可判斷原有裝配工藝存在螺紋可靠性不足、防松性差的缺點(diǎn)，因此需要對(duì)緊固件的設(shè)計(jì)和裝配進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

4.2 金相組織及硬度結(jié)果

失效螺栓基體組織為回火索氏體，熱處理工藝正常；螺牙表面未脫碳，未存在折疊缺陷，牙底無顯微裂紋。螺栓硬度為 340、342、342 HV10，符合10.9級(jí)螺栓硬度要求。

5 裝配工藝分析

根據(jù)裝配工藝的開發(fā)流程，根據(jù)工位載荷核算扭矩夾緊力，經(jīng)試驗(yàn)充分驗(yàn)證，*終確認(rèn)方案，

對(duì)連接副進(jìn)行系統(tǒng)裝配工藝分析。

5.1 理論夾緊力計(jì)算

5.1.1 荷載提取

連接副所受載荷可通過不同的途徑獲取，如實(shí)際路譜采集或仿真計(jì)算得到，本例中采用 VPG 仿真，將模型仿真加載在激光掃描出的某路況中進(jìn)行，提取動(dòng)力載荷，得出受力分別為 X 向切向載荷945~5 727 N，Y向切向載荷-830~1 061 N，Z向軸向載荷-330~648 N。

綜上所述，本例中電池包支架連接副松動(dòng)，主要原因?yàn)檠b配扭矩設(shè)計(jì)不合理，緊固件摩擦系數(shù)較高導(dǎo)致夾緊力嚴(yán)重不足、連接副設(shè)計(jì)不合理所致，從裝配可靠性出發(fā)，根據(jù)實(shí)際受載情況對(duì)夾緊力進(jìn)行了校核，重新定義緊固件參數(shù)和裝配扭矩，提出了一種新的裝配工藝開發(fā)流程。

a.從VPG提取仿真動(dòng)力載荷，作為連接副受力的計(jì)算；

b.對(duì)夾緊力進(jìn)行校核，計(jì)算殘余預(yù)緊力、受載時(shí)損失的夾緊力、抗滑動(dòng)所需預(yù)緊力 F0 ，使仿真結(jié)果滿足預(yù)緊要求；

c.利用相關(guān)試驗(yàn)對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，電池包支架系統(tǒng)總成經(jīng)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)和整車道路試驗(yàn)后，夾緊力及殘余扭矩未出現(xiàn)明顯衰減，零部件可靠性得到有效提高。

d.對(duì)連接副做了改善要求，如支架平整度、相關(guān)尺寸偏差修正、或采用獨(dú)立支架的連接副，以及重新調(diào)整連接副的夾緊長(zhǎng)度，將進(jìn)一步減小松動(dòng)敏感因素，帶來更好的裝配質(zhì)量。扭矩開發(fā)過程中，夾緊力是一個(gè)非常重要的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)輸入，根據(jù)夾緊力的要求，進(jìn)行扭矩的開發(fā)設(shè)計(jì)。以上所提出的緊固件裝配工藝正向開發(fā)流程合理，可充分發(fā)揮緊固件機(jī)械性能，防止工藝盲目借用的錯(cuò)誤思想，從仿真到試驗(yàn)均對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，對(duì)其他關(guān)鍵緊固件的裝配具有一定的指導(dǎo)作用。