0 引言

悬置是汽车底盘和动力模块中的重要机械部件，用于减少并控制发动机、电机振动的传递，同时起到支承作用，属于汽车动力总成部件。当前汽车工业中广泛使用的悬置主要有三种，分别是传统的橡胶悬置、动静态性能较好的液压悬置以及纯铸铝的电机悬置等。悬置的主体结构材料主要分为铸铁类和铝合金类。铝悬置具有重量轻的优势，能够降低整车簧下质量，从而使悬架系统反应速度更快。

然而，铝悬置的强度较低，特别是当结构设计中带有螺纹安装孔时，对螺纹孔的强度要求较高。在整车装配环节，若螺纹孔设计强度不足或安装转矩过大，悬置上的螺纹可能会出现被螺栓拉脱（即“脱丝”）的情况。本文中，某车型在总装生产线装配过程中出现了螺纹孔脱丝问题。我们通过对故障件的力学性能、铸造缺陷、装配条件及设计结构进行对比分析，最终从装配条件、设计结构、铸造孔隙率控制等方面提出了改进建议，以期为解决同类问题提供思路和方法。

1 电机悬置制造工艺流程

电机悬置的制造工艺流程如图1所示。铝锭经高温熔化后，进行必要的除气、除杂，然后通过高压注射到模具中，冷却定型后，进行清理飞边、料柄、铰孔、抛丸和机加工等后道工序，最终加工成成品。其中，熔炼、压铸和机加工等为关键工序，影响产品的性能、尺寸等关键重要特性。

图1 电机悬置制造工艺流程

2 电机悬置螺纹脱丝现状及原因分析

2.1 故障现状

某车型电机悬置材料为A380，螺纹孔尺寸M16×1.5，螺纹深度40mm，螺栓拧紧转矩（250±25）N·m，螺栓打紧后与螺纹孔的啮合深度为28.5mm。部分悬置在安装转矩未达到250N·m时出现螺纹脱丝故障，如图2所示。

图2 螺纹孔脱丝

从同批次产品中随机挑选6件，模拟整车装配进行破坏转矩测试，部分测试样件的破坏转矩低于250N·m，不合格率为33%。测试结果见表1。

2.2 原因分析

（1）对故障件本体进行化学成分采样测试，结果无异常，如表2所示。

（2）故障件表面硬度检测结果见表3。表面硬度均合格，在公差范围内，且硬度值差异较小。结合表1数据可知，螺纹破坏转矩大小与表面硬度值无明显规律可循。

（3）查询同批次铸件的化学成分及力学性能，结果无异常，见表4。

综合以上分析结果，原材料化学成分、力学性能及故障件化学成分均满足标准要求。需进一步对故障件进行深度解析，检测其内部铸造缺陷。

（4）对6件故障件进行X射线探伤检测，等级均≤2级。

（5）挑选3件5月份批次（1#～3#）、2件6月份批次（4#～5#）、1件2021年封存样件进行孔隙率分析及对比，如图3和图4所示。在模拟整车装配条件下（螺纹啮合深度28.5mm）对螺纹进行拉脱力验证，结果见表5。数据显示，拉脱力与铸件孔隙率呈强相关性：孔隙率较大的样件，螺纹拉脱力最小；反之，孔隙率最小的样件，拉脱力最大。

图3 1#～3#孔隙率图谱

图4 4#～5#、封样件孔隙率图谱

（6）挑选3件5月份批次样件进行满螺纹拉脱力测试，结果见表6。

对比（5）（6）中的验证结果可知，同批次样件中，螺纹啮合深度对拉脱力提升显著。

（7）根据理论计算，当安装转矩为250N·m，螺纹配合摩擦系数在0.09～0.14范围内时，计算得夹紧力范围为78.1～117.6kN。理论最大拉脱力117.6kN已非常接近样件1的实测拉脱力120kN。

（8）满螺纹拉脱力实测均值161.5kN是理论最大夹紧力116.6kN的1.3倍。可以推断，在满螺纹装配条件下，螺纹拉脱的风险较低。

结合（5）～（8）可得出：增加螺纹啮合深度、降低铸件孔隙率可以有效提升螺纹拉脱力。

查询某主机厂对悬置支架与动力总成安装界面的要求，铝合金内螺纹配合长度要求L_min≥2.5D（D为螺纹公称直径）。本案例中D=16mm，因此所需螺纹配合深度L=16×2.5=40mm，与以上验证结论相符。

3 改善对策

通过横向对比各类悬置安装孔设计结构。其中，某型号一悬置在铸造前先装配好螺纹嵌件，如图5所示。可以规避铝制螺纹强度低的弊端，但此工艺相对复杂，成本较高。某型号二悬置铸造完成后，采用装配钢丝螺纹套的方式，如图6所示。此工艺相对简单，成本较低。

图5 铸件镶嵌螺纹

图6 铸件装配螺纹套

结合2.1及2.2中的分析结果，综合考虑可提升螺纹强度的措施，并依次进行验证。

（1）孔隙率提升：本案例中，产品结构和模具结构已冻结，受其结构限制，孔隙率提升相对难度较高，且成本代价巨大，同时孔隙率相对不可控，无法被100%有效检测。

（2）螺纹啮合深度提升：通过增加螺栓长度实现螺纹啮合深度提升。原啮合长度为28.5mm时，螺纹破坏转矩均值为253N·m；将啮合深度提升至40mm后，螺纹破坏转矩平均值提升至342N·m，提升比例为35%。验证结果见表7。

（3）仅通过增加螺纹套（不增加螺纹啮合深度）来增加配合强度。在原啮合长度28.5mm、破坏转矩均值253N·m的基础上，增加螺纹套后，螺纹破坏转矩平均值提升至300N·m，提升比例为18%。验证结果见表8。从以上分析可知，增加螺纹啮合深度对提升螺纹破坏转矩效果最明显，且成本最低，仅需更换较长的螺栓即可。

4 结语

本项目通过高倍全自动扫描分析、试验验证及成功案例经验等，对悬置螺纹孔脱丝问题进行了详细分析，确认了其根本原因：在螺纹设计强度相对于实际工况的安全系数不足，且铸件孔隙率波动较大的情况下，可能会以一定概率发生螺纹脱丝。在铝制悬置结构设计中，应充分考虑螺纹强度安全系数，推荐设计强度系数在1.5～2之间。以下几种措施可单独或同时用于提升强度：

（1）铸造模具结构应充分考虑排气顺畅，并选用合适的工艺，尽量避免铸件内部气体聚集，导致孔隙率参数波动大、不受控的情况发生。

（2）在成本条件允许的情况下，应尽量设计内部钢制镶件，从材料环节提升螺纹强度等级；或者装配钢制螺纹套，也可在一定程度上提升螺纹强度。

（3）应充分考虑有效螺纹啮合长度是否满足相关标准及经验要求，推荐铝合金内螺纹配合长度要求L≥2.5D，其中D为螺纹公称直径。本案例可为同类产品的设计及问题解决提供参考和依据。

参考文献

[1] 刘柯军,邵亮.汽车零部件失效分析[M].北京:机械工业出版社,2022.

[2] 王迪,熊万川,周盼泉,等.某车型悬置支架紧固件松动分析及装配正向设计[J].汽车工艺与材料,2022:16-22.

[3] 黄先科.某动力总成悬置胶垫螺栓松动的设计改进[J].汽车实用技术,2023.

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