張鴻雁，莫立權(quán)，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(quán)，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(jì)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(jié)果表明消隙力會降低被夾緊件的夾緊力，進(jìn)而降低接頭的抗滑移安全系數(shù)，因此在正向設(shè)計(jì)時將消隙力分析結(jié)果用于緊固連接抗滑移安全系數(shù)的校核中，有助于提高緊固連接計(jì)算校核的精度。

消隙力；夾緊力測試；抗滑移安全系數(shù)

0 引 言

緊固連接是汽車設(shè)計(jì)的重要部分，其質(zhì)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(shè)計(jì)較為常見，為了便于裝配，U型開口鈑金與被連接件在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(diǎn)為U型開口鈑金設(shè)計(jì)，襯套與U型開口為間隙設(shè)計(jì)，車型研發(fā)階段的耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)了扭矩衰減，存在夾緊力不足問題。對控制臂前點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬、臺架測試及計(jì)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(jì)算校核進(jìn)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(jì)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(jìn)行裝配驗(yàn)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(diǎn)，進(jìn)而判斷夾緊力損失。

在MDESIGN-Bolt軟件計(jì)算校核過程中引入消隙力，修正抗滑移安全系數(shù)校核結(jié)果。

3 分析與驗(yàn)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(shè)計(jì)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(jìn)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(shè)置為0～40 kN。

經(jīng)過有限元分析，提取螺栓軸向力及襯套側(cè)的壓力，根據(jù)二者差值計(jì)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(dāng)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(chǎn)生壓力；隨著螺栓軸向力繼續(xù)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(wěn)定。

圖2 消隙力、襯套側(cè)壓力與軸向力的關(guān)系曲線

提取初始貼合點(diǎn)及40 kN軸向力時的螺栓軸向力、襯套側(cè)壓力，根據(jù)二者差值計(jì)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(guān)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(guān)系曲線

3.2 夾緊力測試驗(yàn)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(jìn)入斜率穩(wěn)定的cd段，此階段夾緊力迅速提升。

襯套為滾花設(shè)計(jì)，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(yàn)僅針對初始貼合時的消隙力進(jìn)行討論。

圖4中測試螺栓的螺距為1.5 mm，根據(jù)a、b兩點(diǎn)間的旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算出ab段消除了鈑金與襯套間的間隙約為0.89 mm；根據(jù)圖3所示，當(dāng)間隙為0.89 mm時，初始貼合消隙力為10 kN，與實(shí)測值8.856 kN接近。

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

4 計(jì)算校核結(jié)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(shù)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行抗滑移安全系數(shù)[1-2]的計(jì)算，具體參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算校核主要輸入?yún)?shù)

續(xù)表1

間隙越大，消隙力越大，抗滑移安全系數(shù)越低，控制臂與前副車架安裝前點(diǎn)設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算，結(jié)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(shù)為1.8，滿足抗滑移安全系數(shù)大于1.2的要求。

根據(jù)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(wěn)定。當(dāng)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(jì)算。由圖3可知，在40 kN裝配軸向力下，當(dāng)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(diào)整嵌入損失量，將消隙力15.62 kN考慮在內(nèi)，計(jì)算抗滑移安全系數(shù)為1.06，不滿足大于1.2的要求。在螺栓強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，隨著裝配扭矩的增加，抗滑移安全系數(shù)增大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將裝配扭矩提高至190 Nm進(jìn)行計(jì)算校核。當(dāng)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(nèi)，計(jì)算抗滑移安全系數(shù)為1.33，滿足大于1.2的要求。

表2 計(jì)算校核輸出結(jié)果

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

5 結(jié) 論

通過有限元分析、夾緊力測試驗(yàn)證及計(jì)算校核，對控制臂與前副車架安裝前點(diǎn)為U型開口鈑金的間隙設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，結(jié)果表明間隙設(shè)計(jì)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(shù)，因此，正向設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)間隙；

（2）在螺栓及被夾緊件強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)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(jī)械工業(yè)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