案例分析：电动汽车电池包连接螺栓的失效风险及补救措施分析- 大数跨境

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案例分析：电动汽车电池包连接螺栓的失效风险及补救措施分析

兹懋Zmart

2022-02-21

导读：本文采用电动汽车地板总成和电池包连接的简化结构，来模拟分析验证预紧力对松动的影响

SD Pro

案例分析

电动汽车电池包连接螺栓的失效风险

及补救措施分析

概述

本文分析了考虑相邻螺栓预紧力影响的情况下，计算不同预紧力对松动风险的影响。本文采用电动汽车地板总成和电池包连接的简化结构，来模拟分析验证预紧力对松动的影响。电池组通常采用锂离子电池设计，是电动汽车的储能装置，占汽车重量的很大一部分。该模型包含不同位置的螺钉，分析结果表明组件中每个螺栓的松动行为明显不同（也就是多螺钉连接的典型情况）。

建模细节

建模的细节如图所示。每个螺钉分别都需要建模，针对各自螺钉施加预紧力，通常同样功能的一组螺栓型号规格和预紧力都相同，这样就创建了一个能够模拟实际状态的比较真实的行为的模型。电池包整体外部负载是施加到电池包上的一个质量加速度，由相对较重的电池包产生的。本例中的质量加速度按照5 g（50 m/s²；例如，车辆与路缘接触，无碰撞）施加，来模拟实际螺栓受到外载荷情况。

螺栓连接设计分析一项重要任务是确定操作预紧力，这与松动行为（不仅仅是装配预紧力）有关。为此，此处使用我们专业的螺栓设计师screw designer professional（简称SD PRO）螺钉设计工具软件来进行预紧力的准确分析；如果没有具体的测量，这可以快速确定相关的预载力。

电池包用26个M8–10.9螺钉拧紧，摩擦系数范围符合VDA标准，如采用0.08-0.14，螺栓采用扭矩安装。

软件预紧力计算值为：扭矩法装配时候预载力FM=20---32kN，拧紧扭矩设定为32---36Nm；工作载荷施加后预载力Fv1=14---24 kN（软件中考虑设定约15%FV预紧力的预紧力松弛，本软件对于软连接等可以输入预紧力的衰减松弛选项，确保计算更加符合真实情况）。如果条件太差，则工作载荷施加后预载力可降低为Fv2=10---20 kN（例如，紧固后软件中设置约35%FV松弛）。

软件中具体的预紧力衰减的百分比可以通过实际接头轴力的实际测试进行设置，如实际测试预紧力衰减为20%，则软件中就需要把嵌入损失部分按照0kN损失来计算（也就是不考虑嵌入损失的计算，在软件中嵌入量输入很微小的一个值，如0.000001μm即可），同时在预紧力损失百分比中输入20即可。如果对于某个接头暂时没有实测数据，也可以按照经验值输入：如铝合金零件按照20%，镁合金按照30%，塑料件按照50%输入进行设计计算即可，并在实际测量后进行完善。

上述SD PRO软件中的相关预紧力数值输入到有限元分析软件中，就可以进行松动的分析。

计算结果分析

有限元计算结果可以主要分析在预紧力和外部载荷作用下的整体变形，同时，也可以分析不同螺栓的旋转松动行为。

可以看到，每个不同的螺栓连接基于前面载荷输入和零件的属性，每个螺栓连接之间绝不是一个刚体行为。

可以看出，在装配时候由于各螺栓连接之间间距较大，相互之间没有太大的影响。

还可以看到，螺钉头下方存在不均匀的表面压力分布，这主要是因为初始连接间隙的不同，如螺栓头还会有内倾角，螺栓头不同圆环直径上的刚度不同引起。

在分析结果中不仅仅需要研究外部载荷作用下的载荷-变形行为，还需要对松动-旋转行为进行研究。

比较两个螺钉（螺钉18和13）的松动行为可以看出，螺钉13松动的风险较高，螺钉18松动的风险较低。对于相同的负载量，螺钉13的松开角度越来越大，而螺钉18则没有。预加载力曲线的表现与前面松开角度的预期一致。螺钉13属于典型的松动：由于松动过程中预紧力减小，旋转速度增加。

如果重复加载循环，螺钉13就有旋转松动的风险。持续松动的螺钉会慢慢地旋转直到没有预紧力。因此，可以在荷载循环次数上应用松动旋转角度图来分析螺钉是否会出现持续可能的旋转松动风险。可以看到，随着每次负载持续的施加，螺钉松动角度越来越大。旋转很快的那些螺钉就是松动风险更加的螺钉。

预紧力影响松动的风险取决于施加的预紧力有多高。因此，这里对13号螺钉的三个预载力水平a）20 kN、b）14 kN和c）10 kN进行了比较（原因请参见上述SD PRO计算软件）。20kN属于预载力高的装配，如可以这可以通过更高的螺杆强度（例如强度等级14.9级）进一步增加预紧力。14 kN是中间范围的预加载力水平，通常在高预应力装配的M8螺钉中经常使用。10 kN是不可靠安装螺钉或不明确的螺钉（例如不准确的摩擦特性）的例子，如此低的预载力水平在实际装配中也会经常容易碰到的情况。

对决策者来说很重要需要，也是需要监控的事情：a）产品运行中的旋转松动是一种重要的破坏机制，由于螺栓连接（轻量化设计）越来越小，负载（性能）增加，尤其是对于运动部件来说。b）螺纹连接对产品的成功非常重要，绝不仅仅是拧入一个简单机械元件。

需要做的事情：a）在产品开发过程中，注意预紧力长期稳定，如有必要，获得外部专业知识（节省时间，因为您自己的员工可以专注于他们的核心任务）——这在财务上也是值得的。b）检查现有产品的螺栓连接，否则，几年后可能会有一些失效和断裂的风险——这对制造商来说是一个“火药桶”，经常遇见的汽车召回就是很好的例证。c）使用专业的螺钉计算工具SD PRO和通过有限元方法对面向组件的螺钉评估松动的可能性——如上述示例所示。以上这些措施可以缩短产品上市时间，减少设计和试验验证周期——这对竞争市场中的产品开发尤为重要。

试验验证

在对某车型电池包进行试验验证时候，试验结果很好的说明了，本次计算案例的情况。

对于夹紧长度比较短的螺栓装配后，螺栓预紧力下降尤为大一些。

总结

1）从这个例子可以看出：松动的风险在不同的位置都不一样（螺钉13松动，螺钉18不松动）。

2）随着预载力的降低，松动的风险会不成比例地增加——因此，具有高预载力和预载稳定性的良好螺钉设计和装配是值得投资的。

3）良好的接头设计计算是防止旋转松动的最佳保护，并为采用额外的安全元件（如果需要额外的防松措施需要采购零件和管理成本）节省成本。

4）螺栓连接不仅可能会是断裂失效，还有可能存在螺钉和螺栓的旋转松动行为。

将来

我们正在制定一个安全系数，该系数考虑了因负载而导致的螺钉旋转——这一点到目前为止还没有得到解决，但在未来将非常重要，尤其是对于创新产品。

这些新的成果都是持续增加到我们的螺栓设计师SD PRO中。

大家如对螺栓设计师SD PRO软件感兴趣，欢迎联系小编：18017569687（微信同号）试用。

关于兹懋

作为德国领先紧固技术在中国的代言人，旨在通过引进最先进的紧固技术助推中国先进制造业的发展。兹懋是来自德国的Kistler Remscheid (原Schatz)、ECM Datensysteme、AFS先进连接技术研究所驻中国的全权代表机构。提供源自德国的螺纹紧固连接检测、校准、分析的仪器设备，以及紧固连接全寿命周期的解决方案，并定期举办专业的紧固培训研讨会，深受业内好评。

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