电池包车身安装螺栓扭矩衰减问题分析

概述：

为了提高电池包的能量密度，目前电池包箱体往往采用铝合金的材料制作。同时，为了提高续航里程，目前常用的做法还是增加电池的容量，从而会导致电池包的重量增加，体积增大等。

通常，电池包车身连接螺栓数量较多，以TESLA为例，电池包重量500kg多（如图4），采用如下多的螺栓连接到车身上（如图1），中间12个（如图2），两侧16个（如图3）。

图1 TESLA电池包螺栓装配

图2 中间连接螺栓

图3 两侧连接螺栓

图4 电池包

问题分析：

电池包重量比较大，体积比较大，为了减小电池包中间的下垂量，因此需要在电池包中间按照一定数量的螺栓，这就存在一个问题，电池包两侧的安装螺栓和电池包中间的安装螺栓存在不共面的问题。

如果先安装电池包两侧螺栓，电池包中心的四个螺栓安装处可能会出现几种情况：

电池包中间螺栓安装处正好与车身完全贴合

电池包中间螺栓安装处与车身存在一定间隙

电池包中间螺栓安装处与车身存在一定过盈

根据上述三种情况，完全贴合的情况是最好的，最不会影响螺栓的扭矩衰减。如果中间存在一定的间隙可能会造成中间螺栓的扭矩衰减。如果中间存在过盈的情况，两侧先安装的螺栓就会存在一定的间隙，需要采用螺栓的预紧力来消除这个间隙，如果设计时候这个中间螺栓到两侧距离较长，由于两侧螺栓数量多，且距离中间螺栓较长，力臂较大，两侧螺栓安装时候会能够贴合车身，不会造成很大的扭矩衰减。如果中间螺栓距离车身两侧较短，力臂较小，需要很大的力才能保证两侧螺栓贴合，这样可能会造成两侧螺栓的扭矩衰减。

有限元分析：

取电池包中间一根横梁进行分析，确认是否会对螺栓的扭矩造成衰减的问题。

如图5，对中间横梁两侧与车身贴合出施加固定边界条件，对中间两个螺栓连接车身处施加螺栓的预紧力，如M10的螺栓，施加最大预紧力50KN，确定这个设计的横梁应力情况。

计算结果表明，横梁会存在较大的应力区域，应力超过了铝合金材料的屈服强度。所以，在这种情况下，如果两侧安装后中间螺栓存在间隙的情况，在螺栓拧紧后，横梁会存在较大区域的塑性变形区域，这样随着时间的增加，同时车辆在运行过程中会存在振动，制动，加速等载荷情况下，变形量会继续增加，从而最终会影响螺栓的扭矩衰减。

总结：

螺栓连接被连接件中间如果存在间隙，螺栓拧紧后如果被连接件又存在应力较大的情况，特别是有较大区域存在屈服变形的情况，在这种情况下，螺栓就会有较大可能出现扭矩衰减的问题。

在设计时候尽量避免这种设计，但是，如果没有办法避免的情况下，在螺栓拧紧工艺上考虑一定的措施，如拧紧后，隔一段时间，再次复拧，这样会能够消除部分可能存在衰减较大的扭矩问题。当然在设计的时候，要进行相关的有限元等分析，确保螺栓拧紧后，能够把间隙消除，完全贴合，这样在一定程度上能够减小扭矩的衰减。如果拧紧后还是存在间隙，这种情况扭矩衰减的可能性就会更大。

这是连接点不共面情况下，扭矩衰减的可能因素分析。

在有限元分析时候，往往对连接点不进行考虑，没有很大的关注，所以，类似这种问题在有限元分析的时候就要进行一定的考虑，确认应力情况，最大间隙情况，以免后面出现较大的扭矩衰减问题。

对于这种设计如何从设计方法上来减小扭矩的衰减，采用什么样的合理设计，欢迎大家分析讨论，并在下方留言。

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来源：GAF螺丝君