汽车底盘紧固件的轴力状态会影响车辆的可靠性和安全性, 当轴力不足时车辆会存在重大安全隐患, 将引起重大市场问题。
汽车生产过程中, 底盘部分的紧固件普遍以力矩管控实现对轴力的管控。但力矩状态无法准确反应量产的轴力分布状态, 无法检验极限恶劣状态下的轴力。
文章以应变式螺栓为基础, 通过对不同的被紧固件的结构形式、不同的工具进行对比测量, 提取影响轴力状态的关键因素, 并建立了极限状态下的轴力检验方法并进行应用检验, 可实现对极限恶劣状态的风险排查。
本次的测量螺栓采用应变式轴力螺栓, 在普通螺栓中心填入管式应变仪, 通过测定螺栓旋紧后造成应变仪产生应变的应变量, 从而测算出螺栓轴力值。如图1所示:
如下图所示, E为设备电压, e为输出电压, R1为埋入的应变片电阻, 假设应变初期R1=R2=R3=R4。
即输出电压与电阻变化成比例;通过把测量到的电压e的增幅扩大, 可得到变形量或数据值, 最终可以测定应变。
在规定力矩下, 即使扭矩不变, 轴力也会有变化。现场装配中, 除了单品精度差异 (平面度、粗糙度、表面处理) 和紧固力矩波动等可监控的因素外, 实际影响紧固件轴力状态的主要有如下容易被忽视的因素:被紧固件结构差异、设备差异。
结构存在差异, 轴力容易达到极限状态的风险也存在差异。不同的结构受设备差异的影响程度是不一样的。
针对底盘的连接结构特点, 提取两种典型结构进行研究:单层面式连接、双层面式连接。典型构造如下图所示。
双层面式 (底盘悬架经常使用的一种连接方式, 例如下摆臂与副车架点紧固点、减震器与转向节的紧固点等) :
针对不同的设备设定转速, 使用相同的紧固力矩 (64Nm) 对同一个紧固点进行装配, 测量得如下力矩状态:
综上, 轴力极限恶劣模式检测方法的建立条件为:零件单品的平面度、表面处理、平行度选取公差上限, 设备转速设定为参数的上限;同时对于双层面式连接结构, 如图8中│A-B│取上限。
为了验证本文所述测量方法及系统的有效性, 笔者利用该方法针对某车辆底盘下摆臂一处紧固点进行检测。
规定力矩为54~64Nm, 极限检测设定紧固时采用最下限力矩54Nm, 单品平面度取规定值上限0.3, 同轴度0.5, │A-B│上限0.3mm, 设备转速设定为设备的转速上限8000r/min。
得到如下结果, 蓝色点为极限检测紧固过程数据, 红色点为另外测量得的15个量产水平的轴力值。
最终数值比量产数据低, 证明极限恶劣状态下的轴力确实远低于正常量产水平, 但该位置依旧大于规定所需的最小轴力值43.75Nm;
(2)在此最恶劣的状态下, 可推算出规定力矩54~64Nm所对应的轴力范围区间为47.2~57KN (绿色分布带) , 分布在规定的43.75~68.1KN区间内。
说明该部位即便工况达到最恶劣情况, 只要紧固力矩达到规定值, 所需的轴力状态就可满足。因此该部位极限恶劣情况下的轴力不足风险可以排除。
(2)使用该检测方法可以准确反应出极限恶劣状态下的轴力值, 同时可以排除量产波动造成的轴力极限状态风险。
针对目前实际生产中多种因素造成的量产波动、轴力极限状态风险难以排除的问题, 笔者提出了一种基于应变式螺栓检测极限恶劣状态的轴力的模式。
该测量模式及设备适合在实验室、装配现场、振动等环境, 直接测量螺栓及螺栓组中的预紧力, 为汽车紧固件的安全检验、风险排除提供了有效措施。
