汽車用接地緊固件的研究與應用

收稿日期：2024-05-14

作者簡介

楊智清（1985—），男，工程師，主要從事汽車緊固系統設計開發工作。

【摘 要】文章主要介紹汽車用接地緊固件的研究與應用。首先討論接地緊固件在汽車中的作用和重要性，包括提高車輛的安全性能、減少電磁干擾以及滿足法規要求；其次，概述不同類型的接地緊固件（如刮漆螺栓、組合式螺栓、自攻螺栓等），并分析其優缺點；然后重點介紹新型接地緊固件的設計和制造技術，如Taptite2000自攻螺栓的應用，以及這些技術帶來的優勢和挑戰；最后對目前汽車用接地緊固件的研究進展和未來的發展趨勢進行總結，并提出進一步研究的方向。

【關鍵詞】接地緊固件；導電性；自攻螺栓

中圖分類號：U463.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0054-03

Research and Application of Grounding Fasteners for Automobiles

YANG Zhiqing，TANG Jun，CHENG Haifeng，CHEN Hu

（Geely Automobile Research Institute（Ningbo）Co.，Ltd.，Ningbo 315000，China）

【Abstract】This article introduces the research and application of grounding fasteners for automobiles. Firstly，the role and importance of grounding fasteners in automobiles are discussed，including improving vehicle safety performance，reducing electromagnetic interference，and meeting regulatory requirements. Then，different types of grounding fasteners such as paint-removing bolts，combination bolts，self-tapping screws，etc. are briefly described，and their advantages and disadvantages are analyzed. Next，the design and manufacturing technology of new grounding fasteners is mainly introduced，such as the application of Taptite2000 self-tapping screws，as well as the advantages and challenges brought by these technologies. Finally，a summary of the current research progress and future development trends of grounding fasteners for automobiles is presented，and further research directions are proposed.

【Key words】grounding fastener；conductivity；self-tapping screw

汽車接地緊固件是汽車電氣系統中不可或缺的一部分，其作用是將電氣設備的外露導電部分及裝置外導電部分通過導電線束與車身連接起來，形成一個良好的接地回路，如圖1所示。本文旨在介紹3種常用的接地緊固件，分別對其結構、應用場景進行分析說明。隨著新能源汽車的發展以及對整車輕量化目標的不斷挑戰，鋁合金等車身材料應用越來越廣泛，新型接地緊固件的應用推廣顯得尤為重要。

1 汽車用接地緊固件的作用與重要性

1.1 提高車輛的安全性能

汽車上電氣設備及裝置的導電線束雖然看起來比電源線少得多，但卻占據著重要地位，因為汽車是運動的交通工具，特別是各種條件惡劣的顛簸工況，以及外部環境對汽車整車及外露零部件的侵蝕，通常容易出現搭鐵不良或者線路斷路的情況，輕則影響汽車某方面的功能，重則使汽車癱瘓[1]。

接地緊固件分布在汽車全身，主要集中在儀表板管梁、車身底板、前機艙等部位，有些接地部位容易沾泥水﹑油污或生銹，這些情況都可能引起搭鐵不良，從而出現功能故障。例如搭鐵點處的車身上有漆、發動機搭鐵線緊固件松動等，這些都會導致搭鐵不良，嚴重影響用電器的正常工作。

1.2 減少電磁干擾

汽車上一些小電流信號（如模擬信號、數字信號等），信號一般比較敏感，容易被干擾。對于娛樂系統天線及高電壓工作用電器，由于其工作過程中對周圍電磁場影響較大，必須采用接地導線，以達到保證接收信號準確，且對周圍線束電磁場影響最小的作用，例如發動機點火線圈供電回路。針對這些位置，采用接地緊固件能夠很好地解決應用問題[1]。

1.3 滿足法規要求

汽車用接地緊固件是保障汽車安全運行的重要部件，其作用是安全可靠地固定接地線束，將車輛各個部分與大地相連，形成一個良好的接地系統。無論是美國法規要求《美國聯邦機動車輛安全標準FMVSS 609》、歐盟法規要求《歐洲經濟委員會 ECE R100》，還是中國法規要求《機動車運行安全技術條件GB 7258—2017》《機械電氣安全 機械電氣設備 第1部分 通用技術條件GB/T 5226.1—2019》等，這些標準都對汽車接地緊固件提出了各種性能要求，目的就是最大程度保證汽車安全。

總體而言，不同國家和地區可能有不同的汽車接地緊固件法規要求，因此，在設計和制造汽車接地緊固件時，需要了解并符合相應地區的法規標準。

2 不同類型的汽車用接地緊固件及其特點

常用的接地緊固件有刮漆螺栓、組合式螺栓、自攻螺栓3種。其各有特點，工程師根據設計需求、應用環境和成本因素等維度綜合評估進行設計選型。

2.1 刮漆螺栓

刮漆螺栓的螺紋末端設計了若干個刮漆槽，刮漆槽的數量主要根據螺栓的螺紋規格來確定，例如M6規格的螺栓一般設計1個刮漆槽。在螺紋桿部有一組對稱的壓痕。這兩個結構特征是刮漆螺栓接地功能實現的關鍵[2]。

刮漆螺栓在擰緊的過程中，依靠螺紋末端刮漆槽刮除車身焊接螺母內螺紋上的電泳漆層，電泳漆殘渣順著焊接螺母內螺紋孔脫落，如果內螺紋是盲孔，則需要設計出足夠長的深度余量，用于容納刮除的電泳漆殘渣。螺紋桿部對稱的一組壓痕位置根據實際裝配環境進行設計，一般應處于內外螺紋嚙合位置，在螺栓擰緊后，壓痕部位螺紋因為變形，與內螺紋產生過盈配合，具有一定的鎖緊作用。

刮漆螺栓如圖2所示，結構為六角頭螺栓和平墊圈組合件，表面處理為電鍍鋅。通常為了保證良好的導電性能，電鍍表面處理不涂封閉劑。

2.2 組合式螺栓

組合式接地緊固件供貨狀態為螺栓和螺母組合起來一起送到生產線，直接焊接到白車身上。然后隨白車身經過電泳、油漆，在總裝車間，緊固搭鐵端子時，先將螺母擰出，固定好端子，再擰緊螺母。

在涂裝車間經過電泳、油漆工藝時，螺母與螺栓螺紋嚙合部位無電泳液和油漆浸入，保證了良好的導電接觸。需要注意的是，螺母端面與螺栓端面要保證完全貼合，避免涂裝過程中兩個端面間浸入異物，造成導電不良。

組合式螺栓如圖3所示，在焊接前，螺栓和螺母通過規定扭矩工藝組裝在一起。表面處理為電鍍鋅鎳合金本色鈍化，防腐性能較高。

2.3 自攻螺栓

自攻螺栓的螺紋桿呈三棱形，螺栓末端自攻螺紋區經過感應淬火，表面硬度非常高。同時在自攻螺紋區有若干個斜置的刮漆槽，斜置刮漆槽的數量主要根據螺栓的螺紋規格來確定，例如M6規格的螺栓一般設計4個刮漆槽。

自攻螺栓在擰緊的過程中，自攻螺紋區硬度高于被連接件，被連接件的配合孔被擠壓形成相應的螺紋，緊固過程中基本沒有金屬碎屑產生，但是斜置刮漆槽會將經過涂裝的車身油漆清除掉，從而實現接觸導電功能。

自攻螺栓（圖4）按照規定扭矩擰入對配件中，表面處理為電鍍鋅鎳合金本色鈍化，防腐性能較高。

2.4 3種接地緊固件特點對比

接地緊固件特點對比見表1。表1從牢固性、安裝工時、定位性、搭鐵效果和成本等維度對3種接地緊固件進行比較。

綜合來說，刮漆螺栓應用較普遍，在一些要求不是很高的安裝環境，例如車身內部線束的接地點，這些位置不承受大載荷或者沖擊載荷，也不容易接觸到腐蝕雜質等惡劣環境，所以能滿足基本的接地導電性能即可。組合式螺栓和自攻螺栓表面處理防腐性能較高，一般用在車身外部，例如機艙線束或者底盤部位的接地點，這些位置容易受到外部液體、泥污、道路鹽侵害，所以除了滿足基本的接地導電性能外，還要提高螺栓的抗腐蝕能力。

組合式螺栓因為是將螺栓頭焊接到車身鈑金上，采用螺柱焊植Cqa0mUt/6AmQ3ufLY2QAPA==焊工藝，車身鈑金不需要開通孔。這樣在一些車身鈑金無法開孔焊接螺母的位置進行應用，保證了車身內外密封效果。例如機艙前圍板上的接地點大量采用組合式螺栓。

在一些工況復雜的位置，例如被緊固的電器件承受較大載荷或者沖擊載荷，優先采用自攻螺栓，因為自攻螺栓在擰緊到對配件上后，對配件的內螺紋和自攻螺栓的外螺紋配合間隙最小，有一定的鎖緊功能，因此牢固性好，提高了緊固可靠性[3]。

3 新型汽車用接地緊固件的設計與制造技術

相對于刮漆螺栓、組合式螺栓都需要在車身上進行焊接施工，而自攻螺栓可以直接和車身上的基孔進行連接達到接地導電功能。這里自攻螺栓接地緊固件特指Taptite2000自攻螺栓。Taptite2000自攻螺栓應用越來越廣泛，特別是輕量化材料鋁合金車身上，接地緊固件選用自攻螺栓，裝配效率得到提升，同時因為自攻螺栓具有鎖緊性能，連接可靠性也得到提升。

3.1 自攻螺栓設計

自攻螺栓的頭部驅動型式一般為六角法蘭面結構，與行業標準六角法蘭面螺栓產品相比，相同螺紋規格的六角對邊尺寸要大一個檔，例如M6規格的標準六角法蘭面螺栓六角對邊尺寸為8mm，而M6規格的自攻螺栓六角對邊尺寸為10mm。這樣設計的目的主要是為了在生產線上和同規格的普通螺栓進行防錯，避免操作者拿錯零件或者安裝到錯誤的位置。

自攻螺栓的螺紋桿設計成三棱形，在攻入對手件基體材料時，讓對手件基體材料受擠壓變形，變形過程中材料延展流動更加順暢，形成與螺栓規格相對應的內螺紋[4]，如圖5所示。

自攻螺栓的末端螺紋區域經過感應淬火。感應淬硬區必須包括整個自攻螺紋區，且第1顆完整螺紋的淬硬層深度在螺紋小徑往中心線距離0.2mm以上，如圖6所示陰影部分。如果具有特殊的導向端，第3顆完整螺紋應盡可能在感應淬硬區內。

3.2 自攻螺栓制造技術

自攻螺栓的原材料需要采用中碳合金鋼，經過調質熱處理后機械性能為10.9級，關鍵工藝是Taptite2000自攻螺紋成型和末端螺紋區域感應淬火。

Taptite2000自攻螺紋是一種創新的三角桿螺紋設計，即圓弧螺紋，比普通三角桿螺紋緊固件性能更好，保留三角螺紋形狀的原理的同時，增加了圓弧。因此，Taptite2000自攻螺紋緊固件具有更卓越的機械性能、裝配性能和降低操作人員勞動強度的特性。該螺紋成型需要定制特殊的搓絲板工裝，通過增加末端螺紋的不圓度，大大降低了攻入扭矩。以M6規格自攻螺栓為例，普通三角桿螺紋緊固件攻入扭矩10N·m，Taptite2000自攻螺紋緊固件的攻入扭矩只需要6N·m。

為了攻入無內螺紋的對手件基體材料中，自攻螺紋區域局部進行了高頻感應淬硬。最后自攻螺栓經過電鍍表面處理，不涂封閉劑或者浸涂導電性封閉劑。

當前行業應用較普遍的自攻螺栓螺紋是Taptite2000專利螺紋，故單顆螺栓的成本也較高，但是從整個緊固系統來看，這種自攻螺栓的綜合使用成本更低[4]。

就3種接地緊固件來說，自攻螺栓也有它的局限性，在車身鈑金不能開孔的情況下自攻螺栓無法應用，應選擇組合式螺栓。再者，Taptite2000專利螺紋附加成本對小批量用戶來說是一個負擔，這需要通過其他地方，例如提升總成零件附加值，來進行平衡。

4 結論

汽車接地緊固件設計選用應考慮具體的安裝使用環境，最重要的是保證導電性，提供安全可靠的接地性能，能夠在特定場景解決電磁干擾問題，同時還要滿足安全法規要求。自攻螺栓（Taptite2000專利螺紋）雖然有其優勢，但是當前單件成本還相對較高，需要持續擴大行業應用范圍以期分攤成本，或者研發出替代產品。組合式螺栓可以解決車身鈑金不開孔的搭鐵點接地問題，保證密封效果。刮漆螺栓滿足一般的車身內部線束接地要求。

無論是哪一種接地緊固件，都面臨耐腐蝕的問題，在較惡劣的應用環境中，表面處理防護就顯得很關鍵，目前行業內采用電鍍鋅鎳較普遍，但是在工作狀態下，通電的接地緊固件和線束及車身鈑金形成原電池閉合回路，極大加速了腐蝕程度，新的防腐材料和工藝需要進一步研究。

參考文獻：

[1] 王義夫，喬佳偉. 發動機線束接地對電控件工作影響的研究[J]. 小型內燃機與車輛技術，2018（47）：12-15.

[2] 廖冬琴. 線束接地點緊固件工藝分析[J]. 內燃機與配件，2017（23）：26-27.

[3] 錢海挺，秦歌. 兩種新型金屬自攻釘的緊固性能研究[J]. 汽車零部件，2019（12）：83-87.

[4] 劉金鋒，柴之龍，王斯博，等. 一種自攻鎖緊螺栓及其裝配工藝研究[J]. 汽車工藝與材料，2023（6）：25-30.

（編輯 凌 波）