汽车线束紧固螺栓知识点及经验汇总

2020年9月15日 评论 775 7211字

汽车线束大多采用M5、M6、M8的螺栓或螺母拧紧连接孔式端子或保险类部件,本文重点介绍汽车线束中保险盒、中央电器盒中保险丝、电源线端子的螺栓连接,以及螺栓连接中动态扭矩、静态扭矩、以及扭矩的衰减等几个方面的内容。

关键字:汽车线束、拧紧技术、螺栓拧紧连接,扭矩验证、动态扭矩,静态扭矩

1 前言

在汽车线束生产制造过程中有些导线孔式端子、熔断丝、连接片等需要用螺栓来拧紧连接,电源线束正、负极端子的夹紧同样需要用螺栓进行夹紧连接。
汽车线束大多采用M5、M6、M8的螺栓或螺母拧紧连接孔式端子或保险类部件,螺栓连接的部件主要在中央电器盒、前舱线束的保险丝盒、仪表线束的保险丝盒、电源线束的保险丝盒、电源线束的正负极接头上。
然而这些用螺栓连接的部件功能和性能要求都比较高,螺栓或者螺母拧紧连接的失效将直接影响汽车线束安全,甚至造成严重的烧车事故。

因此,采用设计合理的螺栓拧紧连接方案、正确采用螺栓拧紧工具、有效的螺栓拧紧检验方法是确保线束中每一个螺栓正确拧紧的重要因素。

 

2 汽车线束螺栓拧紧相关概念

2.1、汽车线束中常见的连接方式包括

超声波焊接、电阻焊接、冷冲压连接、螺栓拧紧连接、铆接、粘接等,其中螺栓拧紧连接具有简单方便、可以多次拆卸与重新装配、标准化部件、节省成本等优点。

2.2、螺栓拧紧连接通常分为:硬连接、软连接两种。

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图1:软连接图             2:硬连接图                3:贴合点
软连接是指:到达贴合点后,旋转2圈(720°)以上达到目标扭矩的连接。常见的软连接有塑料与金属之间或塑料与塑料之间的连接、保险盒与熔断片之间的连接。汽车线束中螺栓拧紧连接夹紧物体多为铜、锌材质,属于软连接,图1所示
硬连接是指:到达贴合点后,旋转30°以内达到目标扭矩的连接;常见的硬连接有,发动机缸体、汽车底盘桥架、钢构件等之间的连接,图2所示

贴合点:螺栓拧紧连接达到目标扭矩夹紧后,被夹紧物体相互贴和的连接状态[3]。图3所示

2.3、螺栓拧紧连接的控制方法及优缺点

螺栓拧紧连接的控制方法包括:1、扭矩控制/角度监控,2、角度控制/扭矩监控,3、扭矩和角度控制。[1]

扭矩控制:是指设定拧紧工具的最大扭矩数值,达到数值后即为拧紧结束;扭矩控制方式是在出现最大摩擦系数和最小力矩时提供最小的夹紧力。

优点:

1、容易实现不同精度等级的控制,从±25%的脉冲型工具到±-1%的手工拧紧轴(套筒)。

2、拥有大量的产品和过程设计的标准数据,且应用历史悠久。

3、过程和设备的有效性校验过程非常容易。

4、工程师非常熟悉,广为人知;

缺点:

1、夹紧力的精度很差,可能到±60%,受摩擦系数影响大。

2、没有根本办法防止螺拴断裂。

3、以上两个原因导致螺拴能力利用率低±60%。图4:扭矩控制曲线图

角度控制:是指设定拧紧工具拧紧旋转一定的圈数(角度)数值,达到数值后即为拧紧结束;角度控制是在弹性区域内避免了摩擦系数大范围变动对夹紧力的影响,它通过控制转角来拧紧,利用了力矩变动较小的优势。

优点:

1、相对容易实现,只需规定拧紧的角度数(圈数)。

2、过程和产品的有效性相对容易检查。

3、现场维修的成本和精度要求可以接受。

4、螺拴利用率得到大大提高;

缺点:

1、标准的拧紧规范通常不能直接使用,必须做一些连接分析/实验室分析工作确定拧紧状态符合要求。

2、无法使用扭力扳手复紧来校验。

3、工具同时需要具有扭矩和角度测量能力。

4、“采用螺栓塑性区域内的角度控制,还具有在批量生产条件下检验工具性能满足要求较难、设置和校验产品参数的费用较高、螺拴一般无法重复使用,另外也很难确定螺栓塑性变形时的拧紧角度,控制、检验比较困难的劣势。不可能将一个塑性变形后即将断裂的螺栓拿来继续使用,同理而言,螺栓的利用率是很高的,一般都采用弹性变形区的角度控制法。图5:角度控制曲线图

屈服点控制:是指螺栓在达到塑性变形之前即为拧紧结束,屈服点控制是最困难的一种拧紧控制方法,需要专业、精密的仪器进行多次的测量与试验分析才能完成,过程检验困难,设备比较昂贵;结合汽车线束产品中螺栓连接的特点,一般情况下不采用屈服点控制。图6:屈服点控制

常见的螺栓拧紧控制方法采用以下几种:a扭矩控制/角度监控;b角度控制/扭矩监控;c扭矩和角度控制;d屈服点控制。汽车线束保险丝盒中螺栓拧紧控制通常采用扭矩控制进行监控

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图4:扭矩控制曲线图           5:角度控制图               6:屈服点控制

 

2.4、螺栓拧紧工具级别与选用

常用的螺栓拧紧与测量工具有以下几种:呆扳手、手动套筒、电动螺丝刀(套筒)、气动冲击扳手、咔嗒扭矩扳手、数显扭矩扳手、指针扭矩扳手、电动数显扭矩扳手等;

拧紧工具又根据工具类别和拧紧精度与性能分为3类。

线束制造企业通常采用的拧紧工具有呆扳手、咔嗒手动扭矩扳手、电动螺丝刀(套筒)、气动冲击扳手、数显扭矩扳手、指针式扭矩扳手,大部分线束制造企业的螺栓拧紧工具处于第一类,只有螺栓扭矩检验工具才使用数显扭矩扳手或指针式扭矩扳手,在螺栓拧紧工具方面还有巨大的提升空间。另外一个不可回避的问题就是成本问题,工具的自动化、智能化程度越高,拧紧工具等级越高,拧紧工具的成本也就成数十倍的增加,导致线束产品的制造成本增加。因此,应根据实际需要选用适合的拧紧工具。图7:

不同类型的拧紧工具,输入的拧紧扭矩精度是不相同的,拧紧工具拧紧精度的高低直接决定着线束螺栓拧紧的可靠性,拧紧工具的CP值和CPK值都高才是合适的拧紧工具。因此,根据汽车线束螺栓的大小、被夹紧物体类型、扭矩公差大小,选择合适的拧紧精度的拧紧工具尤其重;选择不同等级的拧紧工具的同时更要兼顾拧紧工具的成本和设备利用率。图8所示

国外某公司的研究数据表明,各种拧紧工具的精度如下[3]:气动冲击扳手:±25~40%;油压脉冲工具:±10~15%;离合器工具:±7.5~10%;手持式电动工具:±3~7.5%。拧紧精度越高的工具成本相对越高。

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图7:拧紧工具类别                  图8:拧紧工具的精度

 

2.5 螺栓连接的动态扭矩与静态扭矩

动态扭矩:动态扭矩是指当紧固件在被固定的过程中测量得到的最大峰值。扭力扳手和电、气动力工具都可以施加动态扭矩。动态扭矩不能在紧固件被紧固之后测量[2];

静态扭矩:静态扭矩是指拧紧完成后用手动方式拧紧力矩,使螺栓再次旋转或离开拧紧位置时输出的扭矩(克服静态摩擦力),检测扭矩即静态扭矩。图中倒V的拐点即是扭力扳手测得的硬连接上的静态扭矩。图9:所示

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图9:静态扭矩

通俗的讲,动态扭矩就是线束螺栓拧紧操作时,拧紧工具设定的扭矩设定数值,用来拧紧线束保险盒或孔式端子的扭矩值;静态扭矩就是质检员对线束螺栓检验时,用指针或数显扭矩扳手验证后得到的扭矩验证数值。动态扭矩是通用汽车公司认可的拧紧方式,当用手动扳手重新检测螺栓时,则采用静态扭矩,静态扭矩不是通用汽车公司认可的拧紧方式。通用汽车公司认为:动态扭矩比静态扭矩更加准确,重复性更强。

2.6、软连接和硬连接的螺栓静态扭矩与动态扭矩的关系

软连接:静态扭矩较动态扭矩要偏小,原因是扭矩衰减。

硬连接:由于较高的静态摩擦力,静态扭矩可比动态扭矩要高。

中性连接:中性连接(联合连接),中性连接的动态扭矩接近静态扭矩。图10所示

扭矩衰减:螺栓拉伸及夹紧物体变形会导致扭矩变小,这个过程称为扭矩衰减。

螺栓拧紧拉伸及夹紧物体受力发生弹性变形,是导致扭矩衰减的重要原因。软连接-静态扭矩与动态扭矩值要偏小,原因是螺栓扭矩的衰减,由于螺栓、螺母、垫片、夹紧物的材质、硬度各不相同,动态扭矩衰减的程度也各不相同。图11所示

一般情况下60~70%的动态扭矩衰减发生在30毫秒以内,材质越软衰减也就越大,软连接的扭矩衰减幅度大于硬连接。所以线束中螺栓静态扭矩的实测值要小于动态拧紧扭矩的数值[3]。图12所示

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图10:中性连接                图11:扭矩衰减                 图12:扭矩衰减

 

2.7 螺栓扭矩、夹紧力、摩擦力的关系

螺栓连接在拧紧过程中,力矩大部分要用来克服螺栓头、螺母、垫片、螺纹副之间的摩擦力,然而螺栓与被夹紧连接的夹紧力较小,因此,如何减少或增大摩擦力,获取所需要的夹紧力至关重要。通常情况下,扭矩、摩擦力、夹紧力符合5-4-1规则。图13所示

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图13:5-4-1规则                     图14:摩擦力与夹紧力关系

在汽车线束保险丝盒螺栓拧紧过程中,要确保拧紧后的螺栓可靠性,必要时采用增大摩擦力的方法,采用止退螺母、增加弹垫、螺纹法兰面螺母等措施,并采用适当的拧紧扭矩大小,确保螺栓连接夹紧力符合产品设计。摩擦力和夹紧力之间的关系,如图14所示。

 

3、汽车线束中螺栓拧紧工具的选择

在汽车线束中,通常采用M5、M6、M8、M10的螺栓或螺母较多,根据螺栓拧紧部件所处汽车区域和环境条件的不同,螺栓的大小规格、螺栓镀层材质也各不相同,通常对螺栓、螺母、垫片采用镀镍、镀锡等不同的镀层及不同的工艺方法处理。

汽车线束产品图中,不同的汽车主机厂给出的拧紧扭矩参数也各不相同,包括要求的公差带也都不一样,通过查询相关资料并汇总,下表是国内各个主机厂定义不同规格的保险盒(电器盒)螺栓拧紧扭矩参数,如表1:保险盒螺栓扭矩表[4]

表1:保险盒螺栓扭矩表

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部分主机厂将螺栓扭矩的公差带缩小为±0.5 N·m,因此更需要拧紧精度较高的工具,拧紧精度越高的拧紧工具,成本会几何级递增。

3.1、拧紧工具的选择

选取拧紧工具时,首先要结合拧紧螺栓规格以及操作现场的工作场地条件,员工在拧紧操作现场有电源或气源,可以选择电动拧紧工具或气动拧紧工具。拧紧工具的规格大小根据工具扭矩输出参数范围选取,不要选择螺栓扭矩与工具输出扭矩范围差异较大的工具。

咔嗒拧紧扳手,M5/M6通常选择2-10N.M的咔嗒扭矩扳手,M8/M10通常选择5-25N.M扭矩扳手。图15所示

指针式螺栓拧紧扳手,这类工具通常用来做螺栓拧紧后的扭矩验证和检验操作,购买时选择合适的数据扭矩范围即可。图16所示

数显扭矩扳手,当拧紧或检验螺栓扭矩达到设定值时,数显扭矩扳手会亮绿灯或发出声音。这类工具通常用来做螺栓拧紧后的扭矩验证和检验操作,购买时选择合适的数据扭矩范围即可。图17所示

图15:咔哒拧紧扳手

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图16:指针式拧紧扳手

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图17:数显扭矩扳手

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气动冲击(脉冲)拧紧扳手,采用压缩空气作能量源的拧紧工具,根据拧紧工具输出的范围,选择合适的产品型号,气动拧紧工具有直柄式和手枪式两种,应结合实际生产操作的便利性进行选择图18所示

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图18:气动冲击(脉冲)拧紧工具

电动拧紧扳手,采用电力作为能量源的拧紧工具,扭矩输出精度远大于气动拧紧工具,是汽车线束螺栓拧紧工具的首选,包括有直柄式和手枪式两种,应根据拧紧螺栓位置和工作台固定方式和操作的方便性选择工具的样式。图19所示

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图19:电动拧紧工具

电动螺栓拧紧工作站,电动螺栓拧紧工作站能够记录并传输螺栓拧紧工具到计算机系统,在计算机软件中设置不同规格螺栓的拧紧扭矩,计算机软件系统控制拧紧工具输入相应的拧紧力矩,并能够实时记录和显示螺栓拧紧扭矩大小。整套的螺栓拧紧工作站的价格在15-20W,螺栓的拧紧精度较高,企业应结合实际需求和经济能力进行选择购买。图20所示

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图20:螺栓拧紧工作站

3.2、不同操作作业条件下的螺栓拧紧操作工艺设计

3.2.1、一个工位上只有一个规格的螺栓拧紧时,可根据螺栓的规格选择拧紧工具,如果该拧紧半成品所属的成品线束的日产量不大,且螺栓拧紧扭矩公差带比较宽,可选择手工咔嗒扳手拧紧,然后用数显扭矩扳手进行二次拧紧和扭矩检验。图21所示

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图21:单螺栓拧紧

3.2.2、一个工位上有多个同规格的螺栓拧紧时,除选择合适的拧紧工具之外,还应该增加遗漏拧紧防错工装模块,确保每一个螺栓都能正确拧紧,不能出现遗漏拧紧的螺栓;因此,必须为该拧紧工位设计防错夹紧模块,为拧紧工装设计计数功能,当每个零部件的螺栓拧紧次数符合时,防错工装才能松开零部件,才能转下工序。图22所示

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图22:多螺栓拧紧及防错工装

3.2.3、一个零部件多规格螺栓拧紧时,首先根据螺栓的规格布置多个拧紧工具,通常情况下,同一个工位同时拧紧螺栓的规格不宜超过两种,如果拧紧的零部件螺栓规格超过两种,应设计两个拧紧工位来拧紧螺栓,并设根据操作的便利性和可操作性编排工艺,每一个拧紧工位都发放作业目视工艺文件。图23所示

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图23:多规格多个螺栓拧紧的部件

3.2.4、螺栓拧紧工作站的应用,有些主机厂针对产品的特殊特性和扭矩设计参数及公差的特殊性,要求线束制造企业购置螺栓拧紧较高的设备。螺栓扭矩拧紧工作站在计算机系统软件的控制下,拧紧系统可以精准的输出设定的扭矩,并记录每一个螺栓拧紧后的扭矩值,通过扫描线束二维码并记录该线束的螺栓扭矩,便于后期的产品追溯和查询。

螺栓拧紧扭矩工作站通常只能拧紧一个线束产品上的同规格的单个\多个螺栓拧紧,因此,应根据拧紧线束的实际情况编排拧紧工作站的工序位置,同时还要兼顾生产现场的空间场地。一般情况下,螺栓拧紧扭矩工作站设计独立的工作区域,拧紧线束产品的螺栓后,必须立即对螺栓进行油漆笔打点标记。

3.3、螺栓拧紧工位的编排

汽车线束螺栓拧紧的可靠性直接影响汽车线束的质量和可靠性,直接影响和关系到汽车行车安全和可靠性,因此,要重视和确保汽车线束零部件的螺栓正确拧紧和螺栓拧紧的可靠性。

通常情况下,汽车线束零部件的螺栓多集中在中央电器盒,电源分配电器盒中,拧紧的物体多为线径较大的孔式接头端子、片式保险片;因此,在车间场地空间许可的情况下,应设计一个独立的螺栓拧紧工位,可以独立于线束总装配流水线之外。

如果根据工序排布,将螺栓拧紧工位设计在线束流水线工位间时,要考虑螺栓拧紧工位的操作节拍是否和流水线整体节拍一直,如果拧紧工位节拍时间较长,不建议螺栓拧紧工位和流水线工位同步安装,建议调整螺栓的拧紧工序和工位。原则上,螺栓拧紧工位的节拍时间要小于流水线的整体节拍时,才可以排布在流水线上。

4、螺栓拧紧扭矩检验和二次拧紧确认

4.1、汽车线束螺栓拧紧后,由于采用的拧紧工具等级不同,可能无法判定拧紧后的螺栓扭矩是否符合设计的扭矩?螺栓扭矩是否在公差范围内,拧紧后的螺栓扭矩衰减了多少,有没有遗漏拧紧螺栓等多种问题;因此,在螺栓拧紧后,打点标记前要用数显扭矩扳手进行二次拧紧确认。图24所示

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图24:螺栓拧紧后的问题分析

4.2、汽车线束保险盒及零部件的螺栓拧紧后,要进行静态扭矩检验或100%螺栓扭矩二次验证,确保螺栓拧紧符合产品设计。扭矩检验或二次螺栓拧紧工具检验选择数显扭矩扳手,首先在数显扭矩扳手设定检验扭矩峰值,当检验螺栓扭矩达到设定的扭矩值时,数显扭矩扳手发出声音提示或亮绿灯提示。

4.3、螺栓扭矩检验或二次扭矩验证的操作方法,必须将待检验或二次扭矩验证的螺栓零部件主体固定锁紧在工作台模块上,检验人员手持数显扭矩扳手,一手拿扳手手柄,另一只手扶着工具套筒,缓慢用力旋转扳手手柄,直至数显扭矩扳手发出警示,立即停止。螺栓扭矩检验或二次拧紧验证时,数显扭矩扳手手柄旋转角度约2~3°,旋转速度约1°/秒。[备注:数值为经验值]。

4.4、螺栓的打点标记,螺栓扭矩检验或二次拧紧验证后,必须用金属记号笔进行划线标记,通常选择红色的金属记号笔,根据螺栓的大小,选择合适的笔迹宽度进行划线标记,通常选用1-2mm宽度笔迹的金属记号笔。由于金属记号笔水为油漆材质,气味较大,油漆笔水容易滴漏,且金属记号笔成本略高、日用量大,综合成本太高,建议采用普通红色记号笔临时替代。图25所示

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图25:金属记号笔

4.5、螺栓划线标记的方法,必须编写汽车线束卡、扣、扎带、螺栓等附件划线或打点标记的统一标准性工艺操作作业指导标准书,对车间内所有需要打点划线标记的部件进行规范化,包括划线打点位置、划线长度、记号笔颜色、笔迹宽度等进行标准化。划线时,笔迹油漆必须从螺栓顶-螺栓-垫片-夹紧物贯穿,笔迹中间不能有断线。螺栓划线标记如图26所示

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图26:螺栓划线标记

4.6、螺栓拧紧扭矩检验和二次扭矩验证操作过程中出现的问题

比如: 某主机厂的仪表线束产品设计中要求保险盒中M5螺栓的扭矩为4.5(+0.0,-0.3)N.m,也未注明是螺栓拧紧时的动态扭矩还是螺栓拧紧后的静态扭矩值。生产车间按照工艺将螺栓拧紧时的气动扭矩冲击扳手的扭矩调整为5.9Nm进行螺栓的拧紧操作,然后测量静态扭矩,图27所示,螺栓拧紧一次合格率很低。然而线束生产下线后质量部对螺栓进行二次验证,部分螺栓的静态扭矩通常在3.8~4.2N.m之间跳动,将产品判定为不合格,合格率大幅提升。经过与主机厂多次协商沟通无果,最终确定拧紧后的静态扭矩4.5(+0.0,-0.3)N.m。再次修正拧紧测量扭矩不合格产品,确保每个螺栓都能符合产品设计。同时也反映出,主机厂在指定螺栓扭矩公差带的时候一定要切合实际,过窄的公差带肯定会导致制造成本的提升。

 

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图27:一次拧紧后的静态扭矩测量值      图28:二次扭矩验证后的静态扭矩测量值

 

5、总结

涉及汽车线束螺栓拧紧技术及螺栓拧紧方案相关的知识和要点有很多,本文未能全部总结和罗列,只是结合自己工作中的经验和相关资料进行归纳总结,同各位同行进行探讨,不足之处请各位同行给予批评指正,共同学习,共同提高。

参考文献:

[1]张启庆,张震华,佘运义. 浅谈汽车线束中螺栓的拧紧[J].汽车电器:通用技术-工艺.材料.2015.2:P48-51

[2]王延军,金柱发,李银生.谈螺纹连接的扭矩控制[J].机电产品开发与创新:2013.9:P62-63

[3]某拧紧设备供应商培训教材和产品目录2016.6

[4]某培训资料


来源:线束世界公众号

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