基于QCOS的整车扭矩控制策略

2020-09-15张培栋赵兰兰ZhangPeidongZhaoLanlan

北京汽车 2020年4期

张培栋，赵兰兰Zhang Peidong，Zhao Lanlan

基于QCOS的整车扭矩控制策略

张培栋1，赵兰兰2
Zhang Peidong1，Zhao Lanlan2

（1.北京宝沃汽车股份有限公司质量工程部，北京 101500；2.中航复合材料有限责任公司产品经营部，北京 101300）

整车扭矩控制水平不仅体现着产品力，更关乎驾乘人员的生命安全。然而，多数厂商的扭矩控制主要依赖于质检部门的事后抽检，系统性管理较弱。以QCOS（Quality Control Operation Sheet，质量控制操作表）工具为基础，综合考虑扭矩分级、设备选用、防错、过程控制及事后检验等因素，协调各部门职责，形成一套整车扭矩控制策略，运用SPC（Statistical Process Control，统计过程控制）原理建立静态扭矩标准开发流程，并在量产车型上成功应用且效果良好。

整车；扭矩；QCOS；控制策略

0 引言

汽车作为一种高速运转的机械产品，有数以千计的拧紧连接点，扭矩控制水平不仅体现着产品力，更关乎驾乘人员生命安全。汽车紧固件应用环境复杂、失效模式繁多，且单个紧固件可追溯性差，一旦发生失效，往往需要批量召回。据国家市场监督管理总局统计，2019年已累计召回652.97万辆汽车，几乎售出的每4辆车中就有1辆被召回，其中很多与紧固件失效相关[1]。然而，多数厂商对于扭矩控制主要依赖于质检部门的事后抽检，缺乏系统化的管理方法，旨在建立一种综合考虑扭矩分级、设备选用、防错、过程控制及事后检验等因素的控制策略，努力夯实扭矩管理质量，不断提升整车产品竞争力。

1 扭矩基本概念

任何机械产品均是由多种零件组装而成，螺栓连接是最常用的一种方式，采用螺栓连接必须应用拧紧工艺。汽车作为一种交通工具，自身有数千个螺栓连接点，承受着复杂的载荷，因此必须确保连接可靠。

如图1所示，为了拧紧螺栓，必须施加力（矩）才能使螺母旋转，使螺栓受拉、连接件受压，相互作用产生的夹紧力把连接件夹紧，在拧紧过程中约90%的扭矩被摩擦力消耗，只有10%的扭矩转化为夹紧力，而拧紧工艺需要获得此夹紧力[2]14，但使用工具只能测量扭矩，为了满足夹紧力要求，大多数主机厂通过监控扭矩的方式来保证拧紧质量。

图1 拧紧产生的夹紧力示意图

扭矩包括动态扭矩和静态扭矩。

（1）动态扭矩：紧固件在装配时被紧固的峰值扭矩，一般可以通过连接在工具上的传感器测得，但不能在拧紧后测量。设计者根据设计要求，综合考虑紧固件、被连接件及拧紧工具，并结合试验情况，释放动态扭矩标准。动态扭矩过小，易造成紧固件松动或疲劳断裂，不能充分发挥其作用；动态扭矩过大，易造成紧固件屈服，甚至滑丝、断裂等失效。工艺工程师根据动态扭矩标准设定拧紧工具工艺参数。

（2）静态扭矩：在紧固件被固定好之后5 min内，将其在紧固方向上转动的瞬间所需要的扭矩，一般通过表盘扳手、数显扳手测得。通常静态扭矩检测方法有5种[3]：①再拧紧扭矩法；②检测扭矩法；③剩余扭矩法；④拧松法；⑤超声波测量法。最常用的是第1种，即在拧紧方向上进一步拧紧小角度（不超过10°）测得的最小扭矩。

当前汽车制造中，越来越多的电动拧紧工具被应用，可以通过传感器监控拧紧过程，但也会发生故障，且成本高，大范围应用不现实，所以仅靠动态扭矩不足以保证拧紧质量，静态扭矩监控仍然是一种主要的监控手段。如果能够系统化考虑各种工序资源，采用最优组合，亦可以实现较好的扭矩控制。

2 QCOS核心要素

QCOS（Quality Control Operation Sheet，质量控制操作表）是来自GM系统的一种质量工具。主要针对关键制造过程（如涉及安全、法律法规、直接影响顾客满意的过程），需要设计、制造、生产、质量等部门共同参与。应用到扭矩控制，主要涉及制动、转向、悬挂系统等风险系数为9分、12分的扭矩点。此外，还可应用于焊接、加注等关键过程。运用QCOS质量工具时，应掌握以下4项核心要素。

（1）工序风险值：在设计阶段，研发工程师综合考虑产品的安全性、法律法规和顾客满意度等，评估风险等级，了解需要加强关注的控制点和控制参数，为配置工序资源提供依据。风险数值越高，表明该特性越重要。QCOS将工序风险值分为3分、6分、9分和12分4个等级，见表1。

表1 QCOS工序风险等级表

（2）工序控制资源及分值：根据QCOS风险等级，综合考虑工具、防错、数据记录、100%检查和过程监控5个方面，确定最优资源组合，其中前3项属于制造过程，后2项属于质量监控过程。每一项工序资源分为3分、2分、1分3个等级，分值越高，说明资源最优，见表2。

表2 工序控制资源评分原则

（3）PCV（Process Control Value，工序控制值）：关键扭矩点和工序控制资源确定后，可以计算工序控制值，并评估选择的控制资源是否满足要求。

如果PCV＜1，说明工序质量控制无法保证；

如果PCV≥1，说明工序质量控制得到保证。

（4）工序资源最小保证值：除了对PCV有要求外，针对每一项工序资源，均有最小保证值要求，见表3。

表3 工序资源最小保证值要求

例如，对于12分风险扭矩点，要求每一项工序资源至少配备2分的资源；对于6分风险扭矩点，工具项至少配备2分资源，数据记录、100%检查至少配备1分资源，防错、过程监控可不配备资源。

3 扭矩控制策略开发

3.1 开发流程与职责

基于QCOS的扭矩控制策略实施需要设计、制造、生产、质量等部门共同参与，基本流程如图2所示。

图2 扭矩控制策略开发流程

在开发过程中，各阶段主要工作、部门职责及重要技术文件如下。

（1）识别QCOS扭矩点：根据设计部门下发的《扭矩清单》，结合风险等级评价标准（表1），并参考历史车型质量问题状态，由制造、质量部门共同评估扭矩风险等级，将12分、9分扭矩点纳入《QCOS扭矩监控清单》，经设计部门会签后生效。此清单应在试生产前确定初版，项目造车阶段可评估调整，正式量产前锁定。

（2）评估工序控制资源：扭矩监控点确定后，根据工序控制资源评分原则（表2）和工序资源最小保证值要求（表3），由制造、质量部门牵头评估工序控制资源，如果PCV＜1或某工序资源不达标，说明资源不足，应强化配置；如果PCV或某工序资源明显超标，说明资源过剩，也应调整。

（3）发布扭矩控制策略：工序控制资源配置锁定后，由制造部门梳理扭矩点设计参数、工艺参数和工序控制资源，形成《QCOS扭矩控制策略》，经设计、质量和生产部门会签后生效。此文件应在试生产前确定初版，项目造车阶段可评估调整，正式量产前锁定。

（4）扭矩质量认可：扭矩监控点和工序控制资源锁定后，质量部门扭矩实验室将开展扭矩质量认可活动，依托实验室资源（如紧固件摩擦系数试验机、超声波螺栓轴力测试仪），进行紧固件拧紧曲线、角度、夹紧力、摩擦系数等质量分析和验证。如认可通过，进入下一步采集静态扭矩数据；如不通过，则给出改进意见供制造、设计等部门优化工艺参数、产品要求，并调整扭矩控制策略。扭矩质量认可活动贯穿项目造车阶段，于正式量产前完成。

（5）采集数据：质量认可通过后，由生产、质量部门分别采集25组、5组数据，对这30组数据检测静态扭矩，采用再拧紧扭矩法，即紧固件拧紧5min内，使用数显扳手（图3），在拧紧方向上继续拧紧小角度（不超过10°）测得的最小扭矩。此方法要求员工手法熟练、轻重有度。

图3 数显扳手

（6）制定静态扭矩标准：将采集的静态扭矩数据提交给制造部门，由其按SPC（Statistical Process Control，统计过程控制）的统计原理，开发出静态扭矩标准。如统计发现异常，应重新进行扭矩质量认可，分析原因并改进。静态扭矩标准应在正式量产前开发完成，由制造部门编制《QCOS静态扭矩标准》，经质量、生产部门会签后生效。

（7）编制操作表单：依据《QCOS扭矩监控清单》《QCOS扭矩控制策略》《QCOS静态扭矩标准》等文件，由生产部门扭矩工程师编制操作表单，此表单由主表《QCOS Sheet》和副表《Trend Chart》组成，每月编制一次，经制造、生产和质量部门经理签字后方可下发至班组。

（8）执行：依据操作表单，生产部门班组长每4 h测量1次静态扭矩，生产、质量部门巡检员每班测量1次数据并对执行情况进行监督，生产部门工段长、扭矩工程师分别每周1次对执行情况进行检查。

3.2 静态扭矩标准制定

根据GVDP（Global Vehicle Development Process，全球整车开发流程），在项目造车阶段，针对每一个QCOS扭矩监控点，采集30组数据，其中生产部门25组、质量部门5组，提供给制造部门，由工艺工程师按SPC统计原理，开发出静态扭矩标准。

根据±3法确定静态扭矩的监控范围。

式中： UCL(Upper Control Limit)为上控制限，CL(Central Line)为中心线，LCL(Lower Control Limit)为下控制限；为样本中子组大小，2为由确定的系数，本例中为5，查询系数值表，当=5时，2=0.577，最后得到静态扭矩监控范围为（143.4±4.4）Nm。

计算得到静态扭矩监控范围后，需要检查其是否合理。根据长期的试验和统计情况，静态扭矩的目标值应不高于或低于动态扭矩名义值的15%，静态扭矩的偏差范围应不超过动态扭矩名义值的35%，则认为计算得到的静态扭矩标准合理[2]16。对于本例，动态扭矩名义值为140 Nm，则140 Nm×15%=21 Nm，静态扭矩目标值与动态扭矩名义值偏差为143.4 Nm-140 Nm=3.4 Nm＜21 Nm，故判断静态扭矩的目标值合理；静态扭矩的偏差范围为4.4 Nm< 49 Nm（140 Nm×35%=49 Nm），故判断静态扭矩的偏差范围合理。

表4 静态扭矩数据采集表

另外，文献[4]通过研究车门螺栓，提出了一种静态扭矩值的经验算法：静态扭矩中间值在动态扭矩中间值基础上增加约10%，测量误差约为动态扭矩中间值的25%，然后根据测量误差、动态扭矩公差和静态扭矩公差之间的关系，计算得到静态扭矩的控制范围。变量之间满足2+2=2，其中，为动态扭矩公差值；为静态扭矩公差值；为测量误差，即静态扭矩测量误差的3值。