紧固件稳健性设计对动力总成悬置强度影响
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摘要： 在动力总成悬置的开发过程中，悬置支架分析计算满足设计要求，但台架和路试中却出现断裂的情况时有发生，紧固件是影响其计算精度的重要因素之一.通过有限元法研究紧固件安装顺序对发动机悬置仿真精度的影响；通过六西格玛方法研究紧固件的稳健性设计对发动机悬置仿真精度的影响；基于所得出的结论对悬置支架进行方案优化，并对优化后的结果进行仿真和试验验证，结果表明在发动机悬置的设计中夹紧力对仿真精度有重要影响.对采用六西格玛设计的最小紧固件加紧力进行仿真计算是一种最稳健的设计.
关键词： 发动机悬置； 紧固件； 夹紧力； 稳健性； DOE
中图分类号： U463.33；TB115.1文献标志码： B
引言
汽车动力总成悬置系统指动力总成（发动机、离合器、变速器及附件等）与车架或车身之间的弹性连接系统.随着汽车工业的发展，能源利用率不断提高，汽车设计向着大扭矩、轻型化、经济化方向发展，不断采用小型、大功率发动机和轻量化的汽车材料，使得动力总成传递至车身上的振动幅值加大，很大程度上恶化轿车的振动特性，严重影响车辆的乘坐舒适性和车内噪声.因此，动力总成悬置的设计面临更多的问题，也越来越重要.[1]
紧固件是将2个或2个以上零件（或构件）紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称，通常包括紧固件、螺柱、螺钉和螺母类等零件.紧固件是动力总成悬置紧固件的常用形式，是动力总成悬置系统的重要组成部分.紧固件的设计形式、型号和材料等级等都会影响到紧固件的连接效果，具体表现为紧固件的滑移、松脱和断裂等.造成紧固件问题的根本原因是在汽车行驶过程中，不同的载荷条件造成紧固件的夹紧力的衰减.[2]
如何设计紧固件的打紧扭矩，以达到汽车在使用寿命内紧固件不会出现问题是需要考虑的重要问题.在采用扭矩法对紧固件进行拧紧时，需依据拧紧扭矩与夹紧力之间的关系确定拧紧扭矩的大小，因此获取这二者之间更为准确的关系对紧固件连接件的可靠性、安全性以及连接质量具有重要意义.通常，拧紧扭矩的50%用以克服紧固件支撑面的摩擦扭矩，40%用以克服螺纹配合面的摩擦扭矩，只有10%左右形成最终预紧力.[3]
在汽车轻量化成为发展趋势的今天，设计最轻且最安全的发动机悬置系统是最终目的.在发动机悬置和紧固件的设计前期，使用有限元仿真分析时满足强度耐久以及紧固件防松要求，但在后期的台架试验和道路试验中，出现发动机悬置支架开裂甚至断裂、紧固件松脱断裂的现象时有发生.关于紧固件的夹紧力与打紧扭矩的关系及其计算方法，紧固件支撑面的有效半径等关于紧固件本身的研究很多[45].
归根结底，紧固件的主要功能是通过最终的夹紧力实现其传递力和扭矩的功能.因此，本文只关注紧固件最终产生的夹紧力大小的波动、紧固件的打紧顺序以及紧固件的处理方法等对发动机悬置系统仿真精度的影响，并基于得出的结论，对发动机悬置支架进行方案改进，最终满足台架试验和道路试验的疲劳耐久要求.
1紧固件夹紧力对计算结果的影响
1.1计算模型的建立
设计产品一般要经过单轴拉伸、单轴疲劳、多轴疲劳和道路耐久等试验验证.支架前期计算满足要求，但在z向单轴拉伸试验时发生断裂（见图1）.为方便与试验对比，分别考虑4种有限元建模方法，基于Abaqus软件进行仿真计算（见图2）.
方法一为不考虑固定钢板和紧固件夹紧力，支架的紧固件安装面直接约束.
方法二为考虑固定钢板，紧固件安装面和钢板Tie连接，不考虑紧固件夹紧力.
图 1支架单轴拉伸试验
（a）方法一
（b）方法二
（c）方法三
图 2建模方法
方法三为考虑紧固件夹紧力和固定钢板，紧固件夹紧力按照M10紧固件的夹紧力45 kN进行计算.
方法四为在方法三的基础上，把紧固件夹紧力提高到90 kN.
1.2计算结果对比
以上4种状态的计算结果对比见表1，可以得出以下结论：紧固件夹紧力对支架紧固件周围的区域的强度有重要影响，与试验结果较为接近.因此，在前期的计算分析中，如果支架紧固件周围有较大应力区域，需要考虑紧固件夹紧力的影响.支架应变云图见图3.
表 1单轴拉伸计算结果方法加紧力/kN支架最大主应变/%一00.33二00.33三450.91四900.87
图 3支架应变云图
2紧固件打紧顺序对支架强度影响
在安装过程中，同一型号的紧固件打紧顺序具有不确定性，这种打紧顺序的不同，必然会造成先打的紧固件影响到后打的紧固件，使后打的紧固件需要克服更大的消隙力.因此，在设定的打紧扭矩下，紧固件夹紧力会降低，造成夹紧力在六西格玛设计的基础上更大范围地波动.这种夹紧力波动的影响前文已经做过研究，因此此处只考虑3个紧固件都打到43 kN的夹紧力下，3个紧固件打紧顺序对支架强度和紧固件滑移的影响.3紧固件打紧顺序见表2.
3紧固件夹紧力波动对支架强度的影响为研究紧固件夹紧力波动对悬置支架强度的影响，选择基于台架试验的z向单轴拉伸工况进行分析计算，模型见图8.基于前文结论，3个紧固件采用同时打紧的方法.图 8模型建立
3.1紧固件的六西格玛设计
为保证紧固件设计的稳健性，紧固件必须进行六西格玛设计.在发动机支架设计定型后，螺纹长度和夹持厚度已经确定，紧固件的型号也确定下来.针对该悬置选取的紧固件，在紧固件夹紧力试验中，选取6个紧固件样本，得到六西格玛设计下紧固件夹紧力的波动范围为37～49 kN，平均夹紧力为43 kN，负三西格玛夹紧力为37 kN，三西格玛夹紧力为49 kN.紧固件在打紧过程中，最终产生的夹紧力具有波动性和随机性，见表3.
3.2紧固件DOE试验设计
通过DOE方法研究紧固件的夹紧力波动对发动机悬置强度以及紧固件滑移的影响.主要研究目的为紧固件夹紧力变化对支架强度及紧固件滑移的影响规律，因此可以省略DOE设计中的有关流程，见图9.
3.2.1变量和相应
在紧固件打紧的过程中，影响紧固件夹紧力的因素有很多，如紧固件直径、螺纹间距及升角、夹持厚度和摩擦因数等，此处主要关注紧固件达到某一夹紧力状态下，其夹紧力波动对发动机悬置支架强度和疲劳耐久的影响，因此只选取紧固件的夹紧力作为唯一的设计变量；选取3个紧固件的夹紧力37，43和49 kN为3个设计参数；选取悬置支架的最大主应变和紧固件的滑移量为响应.
图 9DOE简化流程
3.2.2参数化模型建立
在DOE试验过程中，选取3×3共9个样本点的正交矩阵，建立参数化模型，9个模型参数见表4.
3.3计算结果
基于以上参数模型，批处理计算得到悬置支架的计算结果.主要关注夹紧力波动对强度和紧固件滑移的影响，其中，最大主应变决定该支架在该夹紧力条件下会发生断裂，滑移量的大小决定紧固件是否发生夹紧力衰减和松脱，因此，只提取支架的最大主应变和支架法兰面的滑移量作为研究对象（见图4和5）.
研究发现，随着夹紧力增加，支架的最大主应变和滑移量整体有减小的趋势，见图10和11.3个螺栓夹紧力都为37 kN时，最大主应变最大，滑移量最大，相对支架和紧固件来说是最严重的状态.
4结论
在动力总成悬置支架设计开发过程中，紧固件的开发同样重要，必须在设计前期对二者同时开展设计与仿真计算工作，以达到后期快速满足台架试验与道路试验的要求，节省成本.
通过研究，可以得到以下结论.
（1）在前期支架的有限元分析中，紧固件的建模是否考虑夹紧力的影响能够影响对仿真结果的判断，尤其是紧固件周围有应力相对较大区域的时候.
（2）夹紧力的波动对支架的强度、疲劳耐久和紧固件的滑移等产生一定的影响，采用六西格玛设计时的最小夹紧力进行计算，对支架和紧固件是最安全的设计.
（3）在有限元仿真中，紧固件的安装顺序对支架强度、疲劳耐久和紧固件的滑移等影响不大，紧固件的同时加载是最安全的分析方法.参考文献：
[1]吕振华， 范让林， 冯振东. 汽车动力总成隔振悬置布置的设计思想论析[J]. 内燃机工程， 2004， 25（3）： 3743.
[2]李维荣. 螺纹紧固件防松技术和试验方法研究[D]. 安徽： 合肥工业大学， 2005.
[3]王宁， 李宝童， 洪军. 螺栓支承面有效半径的影响因素[J]. 西安交通大学学报， 2012， 46（4）： 132136.
[4]陈成军， 杨国庆， 常东方. 基于有限元法的螺栓组连接弹性相互作用研究[J]. 武汉理工大学学报， 2011， 33（10） ： 131135.
[5]尹益辉， 余绍蓉. 基于有限元计算的螺栓接头预紧力和允许外力设计方法[J]. 绵阳师范学院学报， 2011， 26（5） ： 14.