電動汽車電池支架緊固件裝配工藝正向開發

1 緊固件斷裂是一種非常嚴重的失效形式，當緊固件力學性能不足或材料存在組織缺陷時，易造成使用過程中斷裂。現階段由于緊固件廠家的技術提升以及生產工藝的成熟，因材料本身原因導致的斷裂失效越來越少，而由于緊固力不足使緊固件先發生松動繼而出現斷裂的現象卻在行業內已成為一個嚴峻的問題。在汽車制造領域，當緊固件松動時，可能會形成部件之間的摩擦異響，若緊固件斷裂，造成被連接件分離，可能會帶來嚴重的交通事故。某車型電池包通過緊固件與支架進行連接，運營過程中發現其中一顆螺栓斷裂，其余螺栓發生嚴重松動，初步懷疑原裝配工藝防松效果差導致。結合失效分析手段，研究了緊固件裝配可靠性的各種影響因素之間的關系，提出一種裝配工藝的正向開發流程，為其他關鍵緊固件連接副的設計提供了參考。

2 緊固件工作原理

使用緊固件目的是將 2 個及以上零部件緊固在一起，其功能實現的關鍵是被連接件之間的夾緊力，用以保證抵抗外部各向載荷，防止連接件的松動。夾緊力來源于螺栓和被緊固件的形變產生的彈力，因此目標是得到足夠的夾緊力，而不是常見的扭矩。預緊之后，緊固件會產生彈性變形，夾緊力過大會使螺栓發生塑性變形甚至直接被拉斷，或被連接件表面壓潰嚴重，夾緊力過小不能提供足夠的預緊作用，因此需要在使用時對連接副進行合理的設計。夾緊力在實際工程使用中很難直接控制，一般通過控制其他參數來控制夾緊力，*常見的就是控制裝配力矩，如扭矩法[1] ，它是一種常規的擰緊方法，利用扭矩與預緊力的線性關系在螺栓彈性范圍內進行緊固的一種方法，以扭矩的大小表征預緊力，其運用起來方便簡單，大多數零部件連接均采用該法，但由于精度不高導致擰緊質量達不到滿意效果，若要保證較高的擰緊精度，還有扭矩-轉角法、屈服點控制法等多種裝配方式，運用在發動機、電機等重要部件中。

3 緊固件裝配工藝設計思路

3.1 裝配扭矩與夾緊力的關系

扭矩法通過扭矩對夾緊力進行控制，受螺紋參數規格、摩擦系數等影響，根據德國 VDI 2230：2003 高強度螺栓連接系統計算標準[2] ，扭矩與夾緊力的關系見式（1）： 

式中，T為總扭矩，P為螺距，F0 為夾緊力，μs 為螺紋摩擦系數，d2 為螺紋中徑，β 為螺紋升角，μw 為螺栓承面摩擦系數，Dw 為螺栓摩擦面外徑，Dki 為螺栓摩擦面內徑。

在實際使用過程中，螺栓表面生銹、沾有潤滑油、螺紋接觸面存在異物、螺紋磕傷、螺紋精度不足均會對緊固件的夾緊力造成影響。

 3.2 裝配工藝開發流程

緊固件裝配工藝在開發時，還需要考慮如擰緊工具的選用、裝配程序、摩擦系數值、被連接件

結構設計合理性、擰緊工藝的可靠性等影響因素，開發過程可遵循以下流程：

a. 載荷提取及計算。載荷是指實際車輛在行駛過程，部件受到的外力大小，以緊固件為受力目標，外部載荷分類為 X、Y、Z三向受力，通過路譜采集或動力學計算所需軸向*小夾緊力；

b.緊固件選型，結構件設計。根據載荷大小對緊固件進行選型，由螺栓材料性能計算螺栓可承

受*大拉力，確定螺栓預緊情況和工作載荷，通過摩擦系數計算螺栓連接中的殘余預緊力，確定連接緊密性，擰緊力矩，結構件參數，通過緊固件的保證載荷和*大應力來評估緊固件是否滿足設計，或當前情況是否充分發揮緊固件性能；

c.零部件臺架、整車路試驗證。將仿真計算結果用于試驗，分析仿真和試驗結果的差別，若誤差較大，尋找關鍵影響因素，對緊固件進行摩擦系數試驗抽查，模擬裝配制定初始擰緊扭矩，在評價時可通過扭矩或夾緊力進行數據跟蹤；

d.確定工藝，裝配生產。經耐久工況試驗后，剩余扭矩或夾緊力衰減值若滿足要求，可釋放工藝，車間在進行裝配時，需要嚴格遵守擰緊工序，必要時可使用擰緊軸提高擰緊精度。

4 某車型電池包緊固件失效

4.1 失效特征

某車型電池包通過螺栓與鋼制支架進行連接，所用螺栓規格為 M10×1.5，10.9 級，支承面帶齒，表面達克羅處理，裝配工藝為扭矩法，安裝扭矩45 N·m，采用人工手動擰緊。對售后線下車輛進行電池包可靠性檢查時，發現其中一顆螺栓出現斷裂，其余未斷裂螺栓漆標未動，但實際已發生較為嚴重的松動（拆卸過程松動扭矩極小，個別螺栓可通過手擰卸松）。從扭矩的衰減理論可知[3] ，主要為預緊軸力不足、多次小能量沖擊、支架局部塑性變形 3 種因素。對零部件觀察后基本可判斷前兩種因素影響較大。對斷裂的螺栓觀察宏觀斷口，表面隱約存在貝紋條線，具有剪切疲勞斷裂特征，說明螺栓是先產生的松動繼而造成橫向斷裂。通過以上分析，可判斷原有裝配工藝存在螺紋可靠性不足、防松性差的缺點，因此需要對緊固件的設計和裝配進行重新設計和驗證。

4.2 金相組織及硬度結果

失效螺栓基體組織為回火索氏體，熱處理工藝正常；螺牙表面未脫碳，未存在折疊缺陷，牙底無顯微裂紋。螺栓硬度為 340、342、342 HV10，符合10.9級螺栓硬度要求。

5 裝配工藝分析

根據裝配工藝的開發流程，根據工位載荷核算扭矩夾緊力，經試驗充分驗證，*終確認方案，

對連接副進行系統裝配工藝分析。

5.1 理論夾緊力計算

5.1.1 荷載提取

連接副所受載荷可通過不同的途徑獲取，如實際路譜采集或仿真計算得到，本例中采用 VPG 仿真，將模型仿真加載在激光掃描出的某路況中進行，提取動力載荷，得出受力分別為 X 向切向載荷945~5 727 N，Y向切向載荷-830~1 061 N，Z向軸向載荷-330~648 N。

綜上所述，本例中電池包支架連接副松動，主要原因為裝配扭矩設計不合理，緊固件摩擦系數較高導致夾緊力嚴重不足、連接副設計不合理所致，從裝配可靠性出發，根據實際受載情況對夾緊力進行了校核，重新定義緊固件參數和裝配扭矩，提出了一種新的裝配工藝開發流程。

a.從VPG提取仿真動力載荷，作為連接副受力的計算；

b.對夾緊力進行校核，計算殘余預緊力、受載時損失的夾緊力、抗滑動所需預緊力 F0 ，使仿真結果滿足預緊要求；

c.利用相關試驗對仿真計算結果進行驗證，電池包支架系統總成經臺架振動試驗和整車道路試驗后，夾緊力及殘余扭矩未出現明顯衰減，零部件可靠性得到有效提高。

d.對連接副做了改善要求，如支架平整度、相關尺寸偏差修正、或采用獨立支架的連接副，以及重新調整連接副的夾緊長度，將進一步減小松動敏感因素，帶來更好的裝配質量。扭矩開發過程中，夾緊力是一個非常重要的產品設計參數輸入，根據夾緊力的要求，進行扭矩的開發設計。以上所提出的緊固件裝配工藝正向開發流程合理，可充分發揮緊固件機械性能，防止工藝盲目借用的錯誤思想，從仿真到試驗均對結果進行了驗證和評價，對其他關鍵緊固件的裝配具有一定的指導作用。