王 磊，張海江（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

發(fā)動機(jī)艙高溫對冷卻模塊上緊固件應(yīng)用的影響

王 磊，張海江
（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

本文通過一個冷卻風(fēng)扇上的螺栓扭矩失效案例介紹熱管理對應(yīng)用在塑料件上緊固件扭矩的影響。

緊固件扭矩；高溫；塑料件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.262

1　前言

螺栓在汽車中的采用非常廣泛，它的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得很大的聯(lián)接力，又便于裝拆，可以通過標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)，成本低而價格便宜，具有互換性。在汽車工業(yè)生產(chǎn)中，螺栓聯(lián)接十分重要。螺栓擰緊應(yīng)用于汽車行業(yè)的裝配已經(jīng)是一個普遍現(xiàn)象。工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問題也很多，本文通過一個冷卻風(fēng)扇上的螺栓扭矩失效案例介紹熱管理對應(yīng)用在塑料件上緊固件扭矩的影響。

2　問題排查和復(fù)現(xiàn)

如圖1所示，某配置增壓發(fā)動機(jī)車型，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)，尼龍材料風(fēng)扇通過兩個M6螺栓固定到散熱器的尼龍材料水室上，在路試試驗(yàn)中多次出現(xiàn)螺栓脫落的問題。檢查了扭矩扳手的精度和當(dāng)時的色標(biāo)，排除了扭矩不足的原因，該處螺栓處于散熱器上方，而且較靠近增壓器等熱源。根據(jù)作用在接頭上的外載荷力的方向可以把螺紋接頭分為兩類。如果作用在接頭上的力的方向或多或少與螺栓軸向平行時，那么這個接頭受拉伸載荷這個接頭叫拉伸接頭。如果作用力的方向或多或少垂直于螺栓軸時，那么這個接頭受剪切載荷整個接頭叫剪切接頭。這兩類接頭如圖2和圖3所示。一些接頭承受復(fù)合了拉伸和剪切的載荷，那么這個接頭命名為其中較大載荷的那種，要么是拉伸接頭要么是剪切接頭。該文所提到的接頭為拉伸式，下面按照拉伸接頭進(jìn)行分析。

圖1　螺栓安裝位置

圖2　拉伸接頭

圖3　剪切接頭

當(dāng)拉伸接頭被裝配時，接頭上開始產(chǎn)生夾持力，通過旋轉(zhuǎn)螺母或螺栓頭擰緊螺栓。該動作會產(chǎn)生螺栓的拉伸，在這個階段的拉伸通常被稱為預(yù)載。當(dāng)螺栓被正常擰緊時，盡管會有一些螺紋產(chǎn)生塑性變形，但是螺栓的大部分和接頭零件在擰緊螺栓時的響應(yīng)是彈性的。接頭零件會被壓縮一點(diǎn)點(diǎn)，而螺栓會被拉伸很多。

擰緊時，接頭零件和螺栓的狀態(tài)像硬彈簧，一個被壓縮，另一個被拉伸，如圖4所示。像彈簧一樣，接頭零件和螺栓獲得（存儲）勢能。如果我們在擰緊后松掉它們，它們會猛地回到它們原來的尺寸。正是這個存儲著的能量維持所有夾持力的。

圖4　彈性勢能示意圖

從該角度出發(fā)，考慮到尼龍材料在受熱后會變軟，塑料/螺栓、塑料/塑料接觸面會發(fā)生塌陷，導(dǎo)致存儲的勢能消失。經(jīng)在該處貼溫度貼片所測，夏季爬坡試驗(yàn)時該處最高溫度會達(dá)到120度。

在臺架上對比了螺栓處溫度為常溫，80℃，120℃時冷卻模塊振動試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在120℃時1.5小時后就復(fù)現(xiàn)了螺栓脫落的問題，數(shù)據(jù)如表1。

表1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3　結(jié)束語

溫度升高塑料變軟，塑料/螺栓、塑料/塑料接觸面發(fā)生塌陷，拉伸接頭中緊固件主要依靠伸長量的變化提供夾持力，由于溫度升高塑料變軟，螺栓的形變恢復(fù)，扭矩減小甚至消失。對固定塑料件的螺栓，發(fā)動機(jī)艙溫度對螺栓夾持力的影響很大，在設(shè)計初期需要注意螺栓處的外界溫度，對于尼龍材料，長期工作溫度在80度以下，瞬時溫度在100度以下。在塑料件中加入金屬嵌件，可以消除高溫對塑料件的變型，避免熱管理高溫對扭矩的影響。

王磊（1982-），男，碩士，中級。