汽车底盘拧紧力矩的设计方法及应用

汽车底盘拧紧力矩的设计方法及应用

杜效杰

370784198701077453

摘要：在我国快速发展过程中，汽车在我国逐渐增多，螺纹连接是目前汽车底盘中应用最为广泛的可拆式连接方式之一，为确保螺纹连接体的可靠，并使其能正常实现使用功能，必须保证螺纹连接达到初始的预紧力，而预紧力的大小则是直接由拧紧力矩或回转角度来决定。目前汽车底盘中常用的力矩拧紧方法有扭矩法和转角法，转角法是将螺栓与螺母的相对回转角度作为指标进行初始预紧力的控制方法，多半是塑性区的紧固，因塑性区回转角度误差对预紧力的离散度影响较小，所以此方法能实现较高精度预紧力的紧固，但由于螺纹及螺栓杆部发生了塑性变形，所以紧固件的重复使用次数一般限定在3次以内，且装配中需要使用成本较高的转角力矩设备。所以目前普遍应用的力矩拧紧方法还是扭矩法，故本文主要讨论按扭矩法正向设计拧紧力矩的方法及实际应用，同时此方法也适用于超弹性装配及塑性区的扭矩设计。

关键词：螺纹；拧紧力矩；力矩衰减

引言

汽车底盘系统各零部件均通过螺栓或螺母连接，副车架、前摆臂及扭力梁安装点等底盘系统关键点力矩常发生衰退问题，引起底盘异响，甚至零件脱落，对正常行车安全造成严重威胁。新车型开发过程中，常实车采集底盘系统各连接点应力，并将采集的道路谱应力代入有限元仿真分析软件中计算分析，得到连接点的夹紧力值，进而选定标准件型号和设计力矩。为避免出现售后的螺栓力矩衰退问题，在车辆试制期间对汽车底盘系统关键连接点力矩的测试分析具有重要意义。

1螺栓连接原理

汽车底盘产品装配过程中，运用力矩控制法将螺栓拧紧至设计力矩，为螺栓提供一定的预紧轴力，实现夹紧功能。螺栓的预紧轴力Q可分为两部分，一部分作用于轴套内管两端面，提供夹紧力N；一部分为支架变形抗力F，克服支架变形。在车辆行驶过程中，由于轴套内管端面存在夹紧力N，使接触面产生摩擦力f及摩擦力矩Mf。螺栓预紧力与轴套内管端面夹紧力和支架变形抗力的关系如下：Q=F+NQ为螺栓预紧力；F为支架变形抗力；N为轴套内管端面夹紧力。轴套内管端面与支架接触面摩擦力及摩擦力矩如下所示：f=2μNMf=dmf/2dm=（d1+d2）/2μ为轴套内管端面与支架接触面摩擦系数；d1为轴套内管内径；dm为轴套内管内径、外径的平均值；d2为轴套内管外径。若f和Mf大于外载荷时，轴套内管相对支架静止，构件可以正常工作；若f和Mf小于外载荷时，轴套内管与支架存在相对运动。如果把N和Mf称为有效载荷，在Q不变的情况下，若F越小，则N越大。

2汽车底盘拧紧力矩的设计方法及应用

2.1紧固机制

螺栓紧固连接主要有普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接，普通螺栓连接结构简单，拆卸方便，成本低廉，是目前应用最广泛的连接形式，汽车底盘大部分安装螺栓采用此结构;铰制孔用螺栓连接可承受较大的横向载荷，对安装孔的精度要求比较高。在实际工业生产中，螺栓的选用，必须充分评估被连接件的工作环境及受力情况，保证它为零部件在极限工况下工作提供足够可靠的紧固连接。螺栓在使用过程中，都要提前施加拧紧力矩T进行预紧，同时螺栓轴向产生预紧力Fp。拧紧力矩T主要克服螺纹结合面产生的摩擦阻力矩T1和螺栓环形端面与被连接工件接触面间的摩擦阻力矩T2，即:T=T1+T2在工作过程中，若外力产生扭矩为M0，当M0＜T时，紧固位置合力矩∑M=0，连接稳定可靠;当M0≥T时，紧固位置合力矩∑M≠0，连接位置存在松动隐患。

2.2计算扭矩

因为此实例中无法准确获得各紧固位置实际工况中最大的受力情况，故通过对标同级别车辆紧固件的使用情况，即大多采用M12*1.2510.9级螺栓，与此车型选用的螺栓规格及机械性能等级相同，故假定此车型螺栓选型合理，则通过计算将螺栓的紧固效能发挥到最大，即按螺栓可承受的最大力矩去实施验证防松效果。根据力矩的衰减程度及装配位置的关键性，确定扭矩法是采用弹性装配还是非弹性装配，对于非弹性装配位置，紧固件可重复使用次数必须限定在3次以内。

2.3主动横摆力矩优化分配

按照车辆的动力学原理，所需要的车辆主动横摆力矩方程式可以是Ｍｚ＝BｕＦ。主动横摆力矩方程式是利用主动转向亦或是多目标车辆车轮锁视角的主动制动从而获取相应的理想主动横摆力矩。本研究则是使用二次规则从而优化分配车辆的主动制动目标横摆力矩。而优化分配则需要一定等式约束条件（Ｔｚ＝ＢｕＦ）。不等式的约束条件则为轮胎摩擦圆的限制制动力可以执行的区域以及主动转向系统的最大动转向角。本文在最后的时候是使用积极集法从而解决主动制动目标的横摆力矩优化分配问题，并得到最好的主动横摆力矩的分配方法。最后通过分配的力矩与得到的侧向力利用轮胎的逆模型出从而转化为目标的侧偏角与目标的滑移率，让目标执行器转化成车轮制动力与主动转向角。

2.4摩擦因数选择

摩擦因数是螺栓结构的重要参数，直接影响螺栓轴向预紧力的大小及力矩的保持性能。某车型前副车架与车身安装螺栓最初设计状态要求摩擦因数为0.1～0.16，螺栓规格为M14×1.5，性能等级为10.9级，设计力矩范围为(210±20)N·m;下线后经过试验场路试后检测，装配点漆标记未动，个别力矩值小于设计要求下限值190N·m，力矩存在衰减趋势。失效分析。排查副车架及车身安装面平面度、Z向高度差及搭接面间隙，均在公差范围内;检测螺栓性能等级、材质心部硬度、垫片硬度、保载能力均满足设计要求。根据螺纹连接的摩擦防松机制，摩擦因数相对大的连接，随着工作时间加长，残余预紧力所占预紧力的百分比相对较高。最终将螺栓摩擦因数由0.1～0.16调整至0.2～0.45，对比试装验证，力矩均在设计范围内。摩擦因数增大后，力矩衰减失效得到有效改善，摩擦因数越小，预紧后提供的螺栓轴向力越大，但不利于力矩的保持，力矩容易衰减;相反，摩擦因数越大，虽然不能提供较大的紧固轴向力，但更利于力矩的保持，力矩不容易衰减。故在后期设计中，要综合考虑螺纹紧固件的用途，摩擦因数的确定亦要根据实际连接件的材质、结构进行相应调整。

2.5仿真验证

仿真验证主要是用来验证主动横摆力矩分配好的算法以及相应的底盘集成控制系统性能，使用的是15自由度的非线性车辆动力学模型，在单移线与阶跃转向两种比较典型的工况环境下实施离线仿真验证。能够发现的是，使用底盘集成控制之后，两个典型工况环境下，车辆都能够很好的跟踪所谓的横摆角速度名义值，并且能够最大程度的控制质心侧偏角，能够让车辆更好操作更稳定。

结语

目前的很多介绍的计算力矩的方法往往是以经验系数计算，其与实际情况的吻合度会存在一定的误差。本文通过讨论以实际的摩擦系数、实际的紧固位置节点力来计算螺栓拧紧力矩的理论方法，具有一定的参考意义。同时对于受限于仿真经验或试验条件而无法准确获得紧固位置节点力的情况，可通过发挥紧固螺栓的最大效能来验证紧固力矩的合理性。

参考文献

[1]章德发，夏罡臻，龙胜.前摆臂螺栓力矩衰退问题分析与优化设计[J].内燃机与配件，2019(10)：34-37.

[2]王少璋.汽车底盘异响产生机理及控制方法[J].客车技术，2018(4)：40-42.

[3]王赛，胡国良，江美丹，等.螺栓预紧力测量装置的设计与应用[J].机械设计与制造，2015(9)：233-235+239.

[4]徐建立，李晓龙，李肖，等.关于汽车底盘螺栓连接力矩松弛的研究[J].中小企业管理与科技(上旬刊)，2016(1)：288.