某車型后縱臂總成安裝螺母跟轉(zhuǎn)問題解析

徐鑠 鮑長勇 呂凌志

關(guān)鍵詞：螺母;跟轉(zhuǎn);預(yù)緊扭矩;摩擦系數(shù)

0 引言

螺紋聯(lián)接是汽車零部件之間4 種常用聯(lián)接方式（螺紋聯(lián)接、焊接、鉚接和粘膠聯(lián)接）之一，它具有精度高、拆裝方便和具有互換性等優(yōu)點。螺紋緊固件是汽車制造技術(shù)的基礎(chǔ)，并已成為必不可少的機械零件。除了保證緊固零部件的安全需求，裝配方便性也是主機廠的需求之一。

某車型在后縱臂總成與車身裝配工序為先預(yù)緊扭矩，再在后續(xù)工位打緊（圖1）。但在螺母扭矩打緊過程中，螺母跟隨螺栓一起轉(zhuǎn)動，造成打扭矩困難，比率約為50%。工人需對發(fā)生跟轉(zhuǎn)的車輛進行雙扳手二次打緊，嚴重影響生產(chǎn)效率，并導(dǎo)致人力和時間成本的增加。

2 影響跟轉(zhuǎn)的主要因素

針對螺母跟轉(zhuǎn)問題，本司從人、機、料、法、環(huán)等方面，對影響因素進行分析。

人指的是操作者。操作者對擰緊質(zhì)量影響不言而喻，尤其是手動操作，更要借助于人來降低錯誤率。而操作者的工作態(tài)度、熟練水平對提高裝配質(zhì)量及效率有著一定影響。

機指的是工具，包括擰緊工具和裝配輔助工具。擰緊工具要求具有良好的測量精度，甚至防錯機制;裝配輔助工具是為了防跟轉(zhuǎn)、改善人機特性等特殊需求時增加的設(shè)施。

料指的是零部件（這里指緊固件）。要求裝配的緊固件能滿足設(shè)計要求，且批量產(chǎn)品的一致性也應(yīng)較好，保證夾緊力。

法指的是擰緊策略。選擇合適的擰緊策略，如是否預(yù)緊、預(yù)緊與打扭力的間隔時間、擰緊扭矩等，對于夾緊力一致性來說意義重大。

環(huán)指的是工作溫度。對于涂膠的緊固件來說，工作環(huán)境溫度對其凝固時間和狀態(tài)有著一定影響。

對關(guān)鍵因子進行識別，形成因果圖（圖2），據(jù)此系統(tǒng)排查找到真因以解決該問題[1]。

3 因素排查

3.1 人——操作者分析

通過生產(chǎn)線現(xiàn)場調(diào)查，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中無人員變動，均為培訓上崗的熟練工，無不熟練、違規(guī)操作問題。

3.2 機——工具分析

后縱臂總成與車身支架先通過電動扳手預(yù)緊，然后在下一個工位用定扭矩扳手打扭力。根據(jù)設(shè)計要求，有跟轉(zhuǎn)風險位置需使用防跟轉(zhuǎn)工具，但因為本車型吊裝抱具及車輛結(jié)構(gòu)限制，無法增加防跟轉(zhuǎn)工具。這是導(dǎo)致問題產(chǎn)生的根本原因，需在設(shè)計或工藝上考慮解決。

3.3 料——緊固件分析

通過對后縱臂總成、車身支架、螺栓和螺母的尺寸和性能排查，包括表面處理后的摩擦系數(shù)，均滿足設(shè)計要求，制造一致性也良好。為解決問題優(yōu)化設(shè)計，需提高裝配面的摩擦力。因其他零部件更改涉及模具報廢等損耗，所以首要對通用緊固件進行計算分析。

3.4 法——擰緊策略分析

裝配預(yù)緊扭矩約30 N · m，同批次零部件的條件下，提高預(yù)緊扭力，可以抑制跟轉(zhuǎn)趨勢。這也是優(yōu)化手段之一。

3.5 環(huán)——工作溫度分析

螺栓的螺紋涂有螺紋膠，緊固過程也就是螺母內(nèi)旋時，摩擦生熱融化螺紋膠，通過膠體粘性增強緊固。一般來說，溫度高的工作環(huán)境膠體凝固快。通過“法”的分析可以看出，預(yù)緊和打緊工位相連，故環(huán)境影響可忽略[2]。

通過對人、機、料、法、環(huán)的因素分析可知，無防跟轉(zhuǎn)工具，是導(dǎo)致問題產(chǎn)生的根本原因。但要解決該問題需要從設(shè)計或工藝上考慮，在生產(chǎn)線上實現(xiàn)不太現(xiàn)實。因此決定從提高裝配面摩擦力、加大裝配預(yù)緊扭矩兩方面改進優(yōu)化，解決跟轉(zhuǎn)問題。

4 設(shè)計整改

4.1 螺母反作用扭矩分析

當預(yù)緊力施加到螺母上時，螺母會產(chǎn)生反作用扭矩，即螺母接觸面摩擦扭矩。當螺母接觸面摩擦扭矩小于預(yù)緊扭矩時，螺母就發(fā)生跟轉(zhuǎn)。根據(jù)螺母反作用扭矩：

根據(jù)式（1）可知，螺母接觸面摩擦扭矩與夾緊力、螺母接觸面摩擦系數(shù)和等效摩擦圓直徑相關(guān)。也就是說，在當前螺母條件下，提高夾緊力（預(yù)緊扭矩），可以抑制跟轉(zhuǎn)趨勢;在夾緊力（預(yù)緊扭矩）相同情況下，增大螺母接觸面等效摩擦圓直徑，也可以降低螺母跟轉(zhuǎn)趨勢。

4.1.1 螺母接觸面等效摩擦圓直徑分析

螺母接觸面等效摩擦圓直徑計算公式如下：

式中 Dw——接觸面等效摩擦圓直徑

dw——接觸面等效摩擦圓外圓直徑

dh——接觸面等效摩擦圓內(nèi)圓直徑

由式（2）可知，螺母接觸面等效摩擦圓直徑與螺母接觸面外徑和內(nèi)徑相關(guān)。已知螺母接觸面外徑19.80 mm，內(nèi)徑12.00 mm ;車身支架孔徑13.00 mm ;則螺母接觸面等效摩擦圓直徑為16.64 mm。緊固螺栓螺母為標準件，根據(jù)車身支架孔徑選擇，重新更換螺母會增加成本，而且需要重新更換緊固工具。

4.1.2 螺母接觸面摩擦系數(shù)分析

對同批次螺母的摩擦系數(shù)進行測試， 滿足設(shè)計標準0.10 ～ 0.20 的要求。

當前螺母的接觸面不帶齒，采用帶齒螺母驗證。在緊固過程中，其法蘭面的花齒結(jié)構(gòu)與車身的配合面相互相咬合，花齒卡入車身配合面后形成限位凸起，有助于抑制螺母跟轉(zhuǎn)。但其成本要高于普通螺母。

4.1.3 預(yù)緊扭矩/ 軸向力影響分析

電動扳手預(yù)緊扭矩設(shè)定為30 N · m，采用50 N · m 進行驗證。驗證結(jié)果顯示，同批次螺母條件下，提高預(yù)緊扭扭矩可以有效抑制跟轉(zhuǎn)趨勢。

通過上述分析可知，增大螺母摩擦圓直徑、選取帶齒螺母以及增加預(yù)緊扭矩，均可抑制螺栓打緊過程中螺母跟轉(zhuǎn)。

4.2 螺紋副摩擦扭矩分析

4.2.1 螺紋副摩擦系數(shù)分析

螺母跟隨螺栓一起轉(zhuǎn)動，除了跟螺母接觸面摩擦扭矩相關(guān)外，還與螺母與螺栓之間的螺紋副摩擦扭矩相關(guān)。螺紋副摩擦扭矩理論計算如下：

式中 Ts——螺紋副摩擦扭矩

Ff——夾緊力

P——螺距

μs——螺紋摩擦系數(shù)

d2——螺紋中徑

α——牙型角

當螺紋副摩擦扭矩大于螺母接觸面摩擦扭矩時，即Ts-Tw >0 時，螺母就會跟轉(zhuǎn)。螺栓規(guī)格為M12×1.25，P 為1.25 mm，α為30°，d2 為11.19 mm，取螺母接觸面摩擦系數(shù)μw=0.14。將這些參數(shù)代入式（1）和式（3）中，可計算出在當前條件下，螺紋副摩擦系數(shù)μs > 0.15 時，螺母就有跟轉(zhuǎn)趨勢。

4.2.2 螺紋膠對螺紋副相互作用扭矩的影響

裝配的螺栓涂有螺紋膠，涂膠牌號P80（高強度膠），其摩擦系數(shù)為0.12 ～ 0.18，需優(yōu)化。經(jīng)供應(yīng)商內(nèi)部選型，牌號P30（中高強度膠、自潤滑），其摩擦系數(shù)0.10 ～ 0.15，可作為驗證方案實施[3]。

5 整改措施及效果

綜合上述分析，解決方案可行性對比如表1 所示。

先選擇方案1，將電動扳手預(yù)緊扭矩增加至50 N · m。通過跟線觀察，螺母跟轉(zhuǎn)問題明顯改善，跟轉(zhuǎn)率降至5%。該方案作為臨時措施可接受。

在方案1 基礎(chǔ)上同時實施方案4，變更螺紋膠牌號為P30，通過跟線觀察，再未發(fā)現(xiàn)螺母跟轉(zhuǎn)問題。經(jīng)路試驗證，該緊固部位無扭力松退，永久措施妥善解決該問題。