电动汽车电池支架紧固件装配工艺正向开发1
电动汽车电池支架紧固件装配工艺正向开发
1 紧固件断裂是一种非常严重的失效形式，当紧固件力学性能不足或材料存在组织缺陷时，易造成使用过程中断裂。现阶段由于紧固件厂家的技术提升以及生产工艺的成熟，因材料本身原因导致的断裂失效越来越少，而由于紧固力不足使紧固件先发生松动继而出现断裂的现象却在行业内已成为一个严峻的问题。在汽车制造领域，当紧固件松动时，可能会形成部件之间的摩擦异响，若紧固件断裂，造成被连接件分离，可能会带来严重的交通事故。某车型电池包通过紧固件与支架进行连接，运营过程中发现其中一颗螺栓断裂，其余螺栓发生严重松动，初步怀疑原装配工艺防松效果差导致。结合失效分析手段，研究了紧固件装配可靠性的各种影响因素之间的关系，提出一种装配工艺的正向开发流程，为其他关键紧固件连接副的设计提供了参考。
2 紧固件工作原理
使用紧固件目的是将 2 个及以上零部件紧固在一起，其功能实现的关键是被连接件之间的夹紧力，用以保证抵抗外部各向载荷，防止连接件的松动。夹紧力来源于螺栓和被紧固件的形变产生的弹力，因此目标是得到足够的夹紧力，而不是常见的扭矩。预紧之后，紧固件会产生弹性变形，夹紧力过大会使螺栓发生塑性变形甚至直接被拉断，或被连接件表面压溃严重，夹紧力过小不能提供足够的预紧作用，因此需要在使用时对连接副进行合理的设计。夹紧力在实际工程使用中很难直接控制，一般通过控制其他参数来控制夹紧力，*常见的就是控制装配力矩，如扭矩法[1] ，它是一种常规的拧紧方法，利用扭矩与预紧力的线性关系在螺栓弹性范围内进行紧固的一种方法，以扭矩的大小表征预紧力，其运用起来方便简单，大多数零部件连接均采用该法，但由于精度不高导致拧紧质量达不到满意效果，若要保证较高的拧紧精度，还有扭矩-转角法、屈服点控制法等多种装配方式，运用在发动机、电机等重要部件中。
3 紧固件装配工艺设计思路
3.1 装配扭矩与夹紧力的关系
扭矩法通过扭矩对夹紧力进行控制，受螺纹参数规格、摩擦系数等影响，根据德国 VDI 2230：2003 高强度螺栓连接系统计算标准[2] ，扭矩与夹紧力的关系见式（1）：
式中，T为总扭矩，P为螺距，F0 为夹紧力，μs 为螺纹摩擦系数，d2 为螺纹中径，β 为螺纹升角，μw 为螺栓承面摩擦系数，Dw 为螺栓摩擦面外径，Dki 为螺栓摩擦面内径。
在实际使用过程中，螺栓表面生锈、沾有润滑油、螺纹接触面存在异物、螺纹磕伤、螺纹精度不足均会对紧固件的夹紧力造成影响。
3.2 装配工艺开发流程
紧固件装配工艺在开发时，还需要考虑如拧紧工具的选用、装配程序、摩擦系数值、被连接件
结构设计合理性、拧紧工艺的可靠性等影响因素，开发过程可遵循以下流程：
a. 载荷提取及计算。载荷是指实际车辆在行驶过程，部件受到的外力大小，以紧固件为受力目标，外部载荷分类为 X、Y、Z三向受力，通过路谱采集或动力学计算所需轴向*小夹紧力；
b.紧固件选型，结构件设计。根据载荷大小对紧固件进行选型，由螺栓材料性能计算螺栓可承
受*大拉力，确定螺栓预紧情况和工作载荷，通过摩擦系数计算螺栓连接中的残余预紧力，确定连接紧密性，拧紧力矩，结构件参数，通过紧固件的保证载荷和*大应力来评估紧固件是否满足设计，或当前情况是否充分发挥紧固件性能；
c.零部件台架、整车路试验证。将仿真计算结果用于试验，分析仿真和试验结果的差别，若误差较大，寻找关键影响因素，对紧固件进行摩擦系数试验抽查，模拟装配制定初始拧紧扭矩，在评价时可通过扭矩或夹紧力进行数据跟踪；
d.确定工艺，装配生产。经耐久工况试验后，剩余扭矩或夹紧力衰减值若满足要求，可释放工艺，车间在进行装配时，需要严格遵守拧紧工序，必要时可使用拧紧轴提高拧紧精度。
4 某车型电池包紧固件失效
4.1 失效特征
某车型电池包通过螺栓与钢制支架进行连接，所用螺栓规格为 M10×1.5，10.9 级，支承面带齿，表面达克罗处理，装配工艺为扭矩法，安装扭矩45 N·m，采用人工手动拧紧。对售后线下车辆进行电池包可靠性检查时，发现其中一颗螺栓出现断裂，其余未断裂螺栓漆标未动，但实际已发生较为严重的松动（拆卸过程松动扭矩极小，个别螺栓可通过手拧卸松）。从扭矩的衰减理论可知[3] ，主要为预紧轴力不足、多次小能量冲击、支架局部塑性变形 3 种因素。对零部件观察后基本可判断前两种因素影响较大。对断裂的螺栓观察宏观断口，表面隐约存在贝纹条线，具有剪切疲劳断裂特征，说明螺栓是先产生的松动继而造成横向断裂。通过以上分析，可判断原有装配工艺存在螺纹可靠性不足、防松性差的缺点，因此需要对紧固件的设计和装配进行重新设计和验证。
4.2 金相组织及硬度结果
失效螺栓基体组织为回火索氏体，热处理工艺正常；螺牙表面未脱碳，未存在折叠缺陷，牙底无显微裂纹。螺栓硬度为 340、342、342 HV10，符合10.9级螺栓硬度要求。
5 装配工艺分析
根据装配工艺的开发流程，根据工位载荷核算扭矩夹紧力，经试验充分验证，*终确认方案，
对连接副进行系统装配工艺分析。
5.1 理论夹紧力计算
5.1.1 荷载提取
连接副所受载荷可通过不同的途径获取，如实际路谱采集或仿真计算得到，本例中采用 VPG 仿真，将模型仿真加载在激光扫描出的某路况中进行，提取动力载荷，得出受力分别为 X 向切向载荷945~5 727 N，Y向切向载荷-830~1 061 N，Z向轴向载荷-330~648 N。
综上所述，本例中电池包支架连接副松动，主要原因为装配扭矩设计不合理，紧固件摩擦系数较高导致夹紧力严重不足、连接副设计不合理所致，从装配可靠性出发，根据实际受载情况对夹紧力进行了校核，重新定义紧固件参数和装配扭矩，提出了一种新的装配工艺开发流程。
a.从VPG提取仿真动力载荷，作为连接副受力的计算；
b.对夹紧力进行校核，计算残余预紧力、受载时损失的夹紧力、抗滑动所需预紧力 F0 ，使仿真结果满足预紧要求；
c.利用相关试验对仿真计算结果进行验证，电池包支架系统总成经台架振动试验和整车道路试验后，夹紧力及残余扭矩未出现明显衰减，零部件可靠性得到有效提高。
d.对连接副做了改善要求，如支架平整度、相关尺寸偏差修正、或采用独立支架的连接副，以及重新调整连接副的夹紧长度，将进一步减小松动敏感因素，带来更好的装配质量。扭矩开发过程中，夹紧力是一个非常重要的产品设计参数输入，根据夹紧力的要求，进行扭矩的开发设计。以上所提出的紧固件装配工艺正向开发流程合理，可充分发挥紧固件机械性能，防止工艺盲目借用的错误思想，从仿真到试验均对结果进行了验证和评价，对其他关键紧固件的装配具有一定的指导作用。