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汽车线束紧固螺栓知识点及经验

2020-07-20

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。

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。

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

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。

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

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

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。

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

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