下圖是某款電池PACK的內部圖片,從圖上可以看到的連接方式其實有三種:
1)用螺栓、螺帽將線束與繼電器等核心零件連接;
2)用拋釘將線束和金屬支架連接;
3)用卡扣將低壓線束與模組連接
其中靠螺栓、螺帽擰緊連接是動力電池PACK裝配過程中用到的最多的連接方式。而擰緊技術也是裝配中最最最重要的技術。
擰緊技術是很大的一個課題,本文先講下擰緊技術的基礎知識。
擰緊原理:螺栓插入被連接件,利用螺母或內螺紋擰緊使螺栓拉伸變形,這種彈性變形產生了軸向的拉力,將被夾零件擠壓在了一起,稱為預緊力,又稱夾緊力。
有的人說不就擰個螺栓么?日常生活中,家里凳子什么上的螺栓松了用螺絲刀擰一擰或者淘寶上買個組裝的書柜自己在家里面DIY,用螺絲刀擰一擰,然后就可以完成組裝,有必要搞這么多專業詞匯,說的這么玄乎么?
當然有有有。
尤其是作為新能源汽車的動力電池PACK。前面文章有講到,PACK里的高壓線是動力電池PACK的“大動脈血管”,用來傳輸電流。
試想一下,你開著一輛純電動的新能源汽車,行駛在馬路上,突然高壓線與模組連接的螺栓因為擰緊過程異常導致松動或者螺栓斷裂,從而電流無法輸出,動力中斷,汽車急停,如果后面沒有車,到是可以“安全著落”,假如后面有一輛高速行駛的卡車,會是怎樣的后果?
因此前面說的擰緊技術是裝配中最最最重要的技術并不是夸大奇詞。
上述擰緊原理中提到的夾緊力是我們制造過程中想要得到的參數,但是在制造現場直接去測量力是很難操作的。而扭矩(Torque)是很容易測量出的。
因此采用扭矩這個參數來表征兩個物體之間加緊的效果。但是對物體施加的扭矩是不是全部轉化成了夾緊力呢?答案是否定的。
真正轉化為加緊力的扭矩其實只有10%,90%的扭矩用于克服摩擦力。下圖就是傳說中的:50-40-10原則。
因此,如果在實際的制造裝配過程中發現扭矩異常,當排除人員操作方法和擰緊工具的問題后,就可以從螺栓和螺紋自身中找到扭矩異常的原因。
首先講下什么是貼合面和擰緊角度。貼合面是指螺栓的法蘭面與被緊固件接觸的面(如下圖所示)。
擰緊角度是指螺栓從貼合面最終到達目標扭矩所旋轉的角度。
根據螺栓的擰緊角度,我們可以將螺栓連接狀態分為兩大類:
1)硬連接
當擰緊角度<30°時,稱之為硬連接。在PACK裝配工藝中,絕大部分都是硬鏈接。比如模組與托盤的連接,高壓線束與繼電器的連接。
2)軟連接
當擰緊角度>720°時,稱之為軟連接。在PACK裝配工藝中,只有很少的軟連接。最典型的就是筆者曾經負責的一款PACK裝配工藝中,熱管理系統中橡膠管與冷卻板的進出水口用卡箍的連接(如下右圖所示)。
實際的裝配工藝中,正是因為有了硬連接和軟連接,才造成了實際靜態扭矩與目標扭矩的偏差。
在正常情況下,硬連接的靜態扭矩要高于動態扭矩。軟連接的靜態扭矩要低于動態扭矩,我們也稱之為扭矩衰減。
備注:“動態扭矩:電動擰緊工具傳感器在擰緊結束那一刻采集到的扭矩峰值;靜態扭矩:擰緊結束5分鐘以內,再用數顯扭矩扳手繞螺栓原來的轉動方向復擰一次所顯示的扭矩值(螺栓轉動角度不超過5°)。”
尤其是軟連接,如果靜態扭矩值過多的低于動態扭矩值,我們要采取適當的控制手段。過多的低于動態扭矩值,即過多的扭矩衰減,會造成擰緊失效,夾緊力降低,最后帶來產品質量隱患。
針對軟連接,我們在策劃裝配工藝的時候,有如下方法可以降低軟連接帶來的扭矩衰減。
1)降低電動擰緊工具的速度;
2)將正常的一步擰緊策略改為多步擰緊;
3)減少第一步設定的扭矩值,重復第二次擰緊;
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