某乘用車CEPS管柱支架連接螺栓松動問題分析

王 浩，許寬林，朱聯邦

（江淮汽車集團股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

螺栓連接的緊固方式以其裝配方便性及可拆卸性的優點，廣泛應用于汽車領域，但隨著汽車本身以及零部件結構的日趨復雜，各系統零部件之間的相互影響也逐漸加深。成熟可靠的螺栓連接結構由于匹配環境的變化可能會變的不可靠，繼而產生螺栓松動等連接失效的問題。本文針對某乘用車CEPS管柱上支架連接螺栓松動問題，借助于CAE以及臺架驗證等分析手段，快速有效地解決了此連接螺栓松動的問題[1]。

圖1 松動螺栓圖示

1 上支架連接螺栓松動的原因分析及排查過程

1.1 初步排查

（1）此螺栓松動問題首先出現在設計開發階段的可靠性路試車輛上，發現問題后擴大排查范圍發現75%的可靠性路試車均出現了連接螺栓的松動問題。

（2）此螺栓的打緊力矩為（3.3±0.3）Nm，在產線進行裝配時100%檢測并監控記錄，調取全部的產線數據，具體如下圖2所示。

圖2 螺栓打緊力矩數據

根據排查結果可判定螺栓的打緊力矩滿足設計要求。

1.2 螺栓松動原因分析

利用質量管理工具中的故障樹分析法（FTA）對可能導致此螺栓松動的原因進行多層次的詳細分析，具體如下圖3所示。

對末端因素進行詳細排查，確認螺栓松動的主要原因[2]。

（1）根據此螺栓的使用目的，結合實際的螺栓打緊測試，同時考慮一定的安全系數[3]，此螺栓的最大打緊力矩為3.655 Nm，由此可確定螺栓打緊力矩的設計值符合設計要求。

（2）螺栓摩擦系數設計值為0.12±0.03，隨機抽取20件進行摩擦系數測試，實測結果顯示均滿足設計要求。

（3）隨機抽取20個螺栓，均按照3.3 Nm扭矩打緊后測試各自的松開力矩，平均松開力矩為2.343 Nm，可知松開力太小是螺栓松動的主要原因之一。

（4）對比同結構標桿車，通過CAE分析，對比CCB上管柱下安裝支架剛度，結果見表1。

表1 下安裝支架剛度分析結果

根據分析數據對比分析可知，問題車管柱下支架剛度太小，導致螺栓所受Y向載荷過大，同樣是螺栓松動的要因之一。

2 制定優化措施

根據此螺栓松動的兩個主要原因，制定以下優化方案：

（1）提高CEPS管柱支架連接螺栓防松性能。

1）CEPS管柱支架連接螺栓的設計不僅需要考慮螺栓的防松效果，同時需要考慮到對管柱潰縮性能的影響；提高螺栓松開力矩的方案需嚴格按照下述規范進行。

圖4 螺栓防松效果優化設計規范

2）通過下列理論計算公式[4]，可得出現方案按照規定的（3.3±0.3）Nm打緊螺栓后螺栓產生的軸力范圍為3.3 kN～4.0 kN；

其中：μ為摩擦系數（0.12）；As為螺栓公稱應力截面積；D為公稱直徑；

d2為中徑；d3為計算直徑；Δs為屈服強度（ISO 898-1）。

另：

3）通過與供應商對接以及小組內部討論，擬采用以下方案提高螺栓的松開力矩：對螺栓涂覆螺紋緊固膠。

由于增加螺紋緊固膠會增大螺紋副的摩擦系數（由0.12增加到0.18），導致相同的螺栓扭矩產生的軸力減小，需同步增加螺栓的緊固力矩才能確保螺栓軸力相同，以至不影響CEPS管柱的潰縮力；根據理論計算結合臺架驗證，增加螺紋緊固膠后擰緊扭矩下限設定5.3 Nm。

同時根據臺架驗證，在不影響潰縮力的前提下，螺栓的擰緊力矩上限設定為5.9 Nm。

（2）通過與標桿車型的對比分析以及小組內部討論，提出了以下方案來提高CCB管柱安裝下支架Y向剛度。

圖5 CCB優化方案

3 整改效果確認

3.1 針對優化方案進行螺栓松脫力矩測試

隨機抽取20個螺栓，均按照5.6 Nm扭矩打緊后測試各自的松開力矩，具體結果如下：

圖6 優化螺栓松動力矩

增加螺紋緊固膠同時增加擰緊力矩后，抽取的20個螺栓，平均松開力矩為10.23 Nm，相對于優化前，松開力矩提高了337%。

3.2 針對CCB優化方案進行剛度CAE分析

對比分析CCB管柱下安裝支架剛度，具體如下表：

表2 CCB管柱下安裝支架優化前后剛度對比

從上表可得出以下結論：

優化方案CCB管柱下安裝點Y向剛度相對于優化前提高了4.18倍。

3.3 針對優化方案進行臺架耐久驗證

將優化方案在臺架上進行振動耐久驗證，3臺次完整的振動耐久驗證后，此螺栓均未松動。

3.4 針對優化方案進行實車驗證

將優化方案裝車進行整車耐久驗證，并跟蹤效果，3臺次完整的整車耐久驗證后，此螺栓均未松動。

4 結論

針對某針對某乘用車CEPS管柱上支架連接螺栓松動問題，對造成該問題的因素進行分析和排查，最終確認問題根源是螺栓的松開力矩過小以及CCB管柱安裝支架Y向剛度過小。針對該問題根源進行優化整改，經CAE對比分析、試驗室臺架測試和整車耐久測試，優化方案解決了此螺栓松動的問題，大大提升整車可靠性。同時在整改優化過程中總結了以下經驗，可以為后續車型開發提供借鑒意義：

（1）在CEPS匹配設計流程中需增加CEPS管柱與CCB的系統級別剛度CAE分析；

（2）CEPS管柱在CCB上的下下支架Y向剛度應≥4000 N/mm。