重卡鋼板彈簧騎馬螺栓動靜態力矩的裝配質量過程控制

孟偉勛，徐 烽，謝 剛，劉 劍，張 翼，王旭輝

(上汽依維柯紅巖商用車有限公司，重慶 401122)

騎馬螺栓是汽車懸架系統中應用最廣泛的零件之一，其主要作用是將鋼板彈簧在車橋或者平衡軸上進行固定，實現板簧各片之間的貼合，防止板簧的縱向及橫向的躥動，為鋼板彈簧獲得有效預緊力提供保障，因此該零件在懸架總成中具有至關重要的作用［1］。在車輛底盤裝配線實際裝配過程中，前后騎馬螺栓的動靜態力矩的質量控制顯得尤為重要，因為在車輛完成駕駛室總成及其他總成裝配下線后騎馬螺栓的力矩就會產生一定衰減，而經過路試試車后力矩會進一步衰減。

騎馬螺栓擰緊力矩的衰減對鋼板彈簧片的剛度及應力分布有較大的影響，是導致鋼板彈簧中心螺栓斷裂，鋼板彈簧錯位、斷裂，進而造成重卡懸架系統零部件損壞的重要誘因［2］。

其一、隨著鋼板彈簧騎馬螺栓沒有足夠的預緊力而逐漸產生松弛，最大應力斷面由騎馬螺栓轉移到中心螺栓處，最大彎矩也隨之增加，當車輛超載或受到道路不平顛簸沖擊時就會發生斷裂，而且大多數斷裂是在汽車長期超載運行的情況下發生的。

其二、騎馬螺栓未擰緊或者自行松動而導致其有效力矩的衰減，這會使得鋼板彈簧的預應力降低，鋼板彈簧總成剛度削弱，其支撐座的均布應力變成集中應力，使鋼板彈簧中心空出產生應力集中。在交變載荷的作用下，疲勞裂紋在中心孔處逐漸形成與發展。當某一片鋼板彈簧先產生折斷后，隨著鋼板載荷增大，最后甚至會出現全部折斷。

因此，在車輛裝配過程中對騎馬螺栓力矩質量的有效過程控制對于提高懸架系統乃至整車的安全性具有重要的作用。

本文基于對騎馬螺栓擰緊力矩衰減原因的研究，對重卡騎馬螺栓裝配時的動靜態力矩數據進行統計，使用Minitab等軟件對騎馬螺栓擰緊力矩進行過程能力分析，并提出有效緩減騎馬螺栓擰緊力矩衰減的措施，為提高騎馬螺栓有效力矩的裝配品質奠定了基礎。

1 統計過程控制(SPC)

1.1 過程控制的主要內容

過程控制的主要內容:①對過程進行分析并建立控制標準;② 對過程進行監控和評價;③ 對過程進行維護和改進。

1.2 統計過程控制

統計過程控制(SPC)是為了貫徹預防原則，應用統計技術對過程各階段進行評估和監控，建立并保持過程處于可接受的并且穩定的水平，從而保證產品與服務符合規定要求的一種質量管理技術。它通過使用控制圖等統計技術來分析過程和輸出，借助適當的措施達到并維護過程穩定，從而實現改進和保證產品質量的目的［3］。當過程僅受隨機因素影響時，過程處于統計控制狀態(受控狀態);當過程中存在系統因素的影響時，過程處于同級失控狀態(失控狀態)。應用SPC技術就是使生產過程經常處于受控狀態，在各個階段對產品質量進行實時監控與評估，消除失控狀態，穩定產品質量。

2 騎馬螺栓動靜態力矩統計分析

本文以底盤車架預裝線中后騎馬螺栓(后平衡懸架單螺母)擰緊力矩的過程控制為例，以“螺栓擰緊力矩”為主導因素，運用分析用控制圖與控制用控制圖，通過靜態復緊力矩的偏移靈活調整動態擰緊力矩，實際上就是不斷進行動態力矩質量改進與維持，對螺栓最終擰緊力矩質量進行有效過程控制。

2.1 數據采集

該裝配線使用氣動油壓脈沖擰緊機作業，根據判穩原則和國標，樣本容量取4或5為合理子組，以檢測時間為間隔，至少取25組數據。在過程條件保持不變的情況下，通過上位機實時顯示與數據保存功能對騎馬螺栓力矩數據進行采集。

908車型的車架平衡懸架單螺母騎馬螺栓規格為M24×2，力矩為800～1040 N·m，擰緊機初始設定動態力矩為850 N·m。在裝配鋼板彈簧時，用扭力扳手在操作人員復緊前檢查該板簧力矩值，取125組數據(子組)，每組樣本容量為5個，采集數據見表1。

表1 后騎馬螺栓力矩數據Xi、Ri、M、S等計算結果

2.2 分析用控制圖

1)以上述采集數據為樣本，計算樣本子組得平均值Xi、子組極差Ri、預備數據總體平均值X、子組極差平均值R、公差中心M、標準差S以及超上差極大值與超下差極大值、合格率等計算結果，具體見表1。

2)利用Minitab軟件對上述數據進行分析。從X均值圖(圖1)可以看出:上、下控制線及中心線分別為 UCLx=1041.4=938.4，LCLx=835.4;R極差圖中上、下控制線及中心線分別為UCLR=377.5=178.6，LCLR=0。從均值 － 極差圖中可以清楚地看到:該擰緊機在螺栓擰緊過程中所采集的數據存在異常點，從而造成了整個擰緊力矩質量發生偏移。

圖1 均值圖與極差圖

2.3 過程能力分析

過程能力分析評價是衡量加工產品特性值之間緊密程度的一種度量，表示能否滿足加工過程中產品加工技術要求的程度。利用上述數據做出力矩值的過程能力分析圖與六合圖(見圖2、3)。從圖中所得數據及計算情況得出:當前CPK=0.41，樣本均值為 938.4，整體標準偏差為 82.28，預期目標為920，不合格率為PPM=72000。說明工序能力不足，過程處于不受控狀態，需對過程能力進行調整以改進目標。

圖2 力矩值的過程能力分析

圖3 力矩值過程能力六合圖

2.4 過程能力監控及改進

通過上述過程能力分析知，該過程能力存在不足，需要加強對過程能力的監控以及改進。利用TRIZ創新理論從5M1E六個方面入手，對螺栓力矩質量控制不穩定原因進行分析，找出引起螺栓動靜態力矩的裝配質量不穩定的可能原因，具體表現為以下幾方面:

1)操作人員對擰緊機的不當操作致使螺栓力矩未達到工作力矩;

2)擰緊機傳感器靈敏度與重復性不好或因質量問題使得上位機采集數據出現了錯誤，致使裝配質量不穩定或者出現誤判;

3)現場其他設備的電磁干擾使得擰緊機中PLC受干擾造成程序發生紊亂;

4)板簧等相關聯接件由于表面光潔度原因造成新車騎馬螺栓軸向力下降;

5)騎馬螺栓本身以及配套螺母的材料力學性能的影響;

6)裝配工藝制定存在問題。

通過對裝配系統的分析逐次排查對應可能存在的問題，結合過程能力分析，最后制定相應措施:

1)加強操作人員的培訓，使其掌握并熟悉科學的操作方法。

2)針對908線后騎馬螺栓擰緊后合格率較低的情況，調整動態力矩設定值;因擰緊機初始設定動態力矩為850 N·m，靜態設定力矩平均值為920 N·m，過程控制測定值為938.4N·m。據過程能力分析調整，將力矩設定降低18.4 N·m，取整為832 N·m。

3)選擇抗磨性好的潤滑油可減少摩擦力損耗。將板簧加載壓緊后再裝配騎馬螺栓，增加螺栓的軸向力，提高力矩擰緊的質量。

按照改進后的方案實施擰緊裝配，分析得到其均值－極差圖，如圖4所示。

圖4 改進后的均值圖與極差圖

從圖4可以看出該擰緊機在螺栓擰緊過程中所采集的數據無任何異常，由判穩原則可知過程的波動與均值均處于穩定狀態。通過力矩值得到過程能力與六合圖(見圖5、6)。分析可知:改進后的 CPK=1.18 ＞1，樣本均值為 926.44，接近目標值920，整體標準偏差為32，不合格率為0。說明工序能力正常，過程處于受控狀態。

圖5 改進后力矩值的過程能力分析

圖6 改進后力矩值過程能力六合圖

此外，生產工序管理員需定期對每臺車架的騎馬螺栓的力矩進行測定，從擰緊機的上位機采集力矩值繪制控制用控制圖，分析裝配質量以及偏移量以調整動態力矩值。車間質量管理人員需每天檢查監控使用過程控制圖的狀態以及過程能力控制是否存在異常。當均值－極差控制圖中點的分布隨機排列且符合判穩原則，過程能力圖中CPK＞1，PPM=0，整體標準差偏小時，判定過程穩定且處于受控狀態;當均值－極差控制圖中點的分布超出控制范圍或者排列不隨機，過程能力圖中CPK＜1，PPM＞0，整體標準差偏大時，則控制過程存在異常，過程處于不穩定不受控狀態，應及時分析造成異常的原因，采取有效措施改進過程能力，直到過程恢復正常。

3 結束語

本文通過應用統計過程控制技術對騎馬螺栓動靜態力矩擰緊裝配作業進行控制，有效地提高了騎馬螺栓的裝配質量和生產率，滿足了生產需求，保障了重卡在行駛過程中的安全性與可靠性，取得了較為顯著的經濟效益，贏得了客戶的信賴，提升了企業的整體形象與核心競爭力。

［1］李海波，居剛，修永芝.重型卡車鋼板彈簧騎馬螺栓擰緊力矩衰減探討［J］.專用汽車，2012(3):90－93.

［2］李瑞富，高堯臣.汽車保修工技術問答［M］.濟南:山東科學技術出版社，1983:221－222.

［3］鞠成山.螺栓擰緊的統計過程控制［J］.汽車工藝與材料.2008(12):38 －41.