适用于汽车铝-钢复合结构的新型螺纹连接

当前汽车制造汇集了各种不同的要求和材料。目标是使车辆更高效、更安全、更可持续。这也适用于紧固件技术。梅赛德斯-奔驰集团和紧固件制造商Baier & Michels共同开发了一种解决方案，可以克服复合铝钢结构带来的许多挑战。

术语“螺纹”是指连续缠绕在中心圆柱形周围的螺旋脊。当前，它们是标准化的机械零件，有许多不同的变体。作为紧固螺钉，它们是最常见的连接件之一[2]。与焊接或胶接等其他连接方法相比，螺纹连接提供了可靠的可拆卸接头，可以在任何时候再次拆卸而不会损坏[3]。

直接拧紧系统

在这种情况下，直接拧紧系统起着特殊的作用。螺纹成型螺钉不仅是紧固件，而且是用于无屑切削待连接零件内螺纹的工具。当关注周期时间的高度自动化汽车制造系统的效率时，这带来相当大的优势。这种解决方案提供的另一个好处是在螺杆安装的上游制造步骤中节约了成本，如图1所示。例如，铝外壳中的传统螺纹连接需要相对复杂的过程(尤其是对于盲孔):钻芯孔、切割螺纹以及去除碎屑。另一方面，螺纹成型螺钉只需要一个模制的内芯孔，因此可以额外使用更高强度的铸造表层。

b&m密封M14×50连接确保了在底盘与车身结合过程中整体副车架的可靠紧固

因为螺纹是成型的而不是切削的，因此材料的晶粒流动没有被中断，而是被重新成型和应变硬化，如图2所示。从而产生了具有更高强度和负载能力的整体接头。由于内螺纹的成型是来自材料的弹性所提供的自锁，因而不需要额外的粘合剂或夹紧螺钉锁定来防止意外。生成的线程配对也是自由的。

起作用的螺纹成型螺钉:与螺纹切削相反，内螺纹的材料不是被切掉，而是成型，因此是应变硬化的

圆形螺纹截面

传统的直接拧紧系统主要使用三叶螺纹几何形状，在三叶形系统中，螺纹的横截面(类似于螺纹成形机)具有非常圆滑的三角形轮廓，这导致在螺纹形成过程中相对较低的成形扭矩。而梅赛德斯-奔驰与螺丝制造商Baier & Michels(wurth Group的成员)合作，采用了不同的方法。Baier & Michels正在申请专利的螺杆几何形状具有圆形螺纹横截面，由于承载侧面沿着整个圆周重叠，该横截面提供了特别高的力传递，图3。

与三叶形解决方案相比，b&m-Tight的圆形形状提供了额外的承载面积

带有b&m-Tight标志的螺杆具有特殊设计的成型区几何形状，在内螺纹生成过程中支持材料流动。通过适当的芯孔设计，这种方法还提供了密封功能。这使得螺钉能够提供对液体或气体高达1bar过压或欠压的密封性，如梅赛德斯-奔驰标准MBN 10355中所规定的——无需任何额外施加的密封剂。三叶系统由于几何形状的原因，螺纹面重叠不完全，水分会进入螺纹区域，b&m-Tight由于具有自密封功能，可最大限度地降低腐蚀风险。这意味着具有圆形轮廓的直接螺纹系统的性能在耐腐蚀性方面提供了积极的效果。

较优的解决方案

螺杆还提供了优于三叶形解决方案的另一个优势。在螺纹连接的情况下，工艺可靠性成为一个关键问题，在这种情况下，内螺纹的材料是坚韧的锻造铝合金，例如T5回火。特别是对于较大的拧入深度，传统的三叶形系统在螺纹形成过程中容易卡住:内螺纹材料和螺钉之间的冷焊会在安装过程中产生问题。在这些情况下，紧固件的头部不与零件的表面接触，或者它不能产生可靠连接所需的预载力，因为已经达到了额定的拧紧力矩。

这种情况通常会导致对损坏的接头进行复杂的返工，消除了直接拧紧带来的原始成本节约。b&M-Tight是不同的:它的成型区几何形状是专门为解决这个问题设计的，可靠地防止连接卡滞。

配备这些功能后，直接拧紧系统成功应用于梅赛德斯-奔驰品牌的多个产品线，例如C、E、G和S级车型，包括电动衍生产品和armored Guard。这些螺钉的直径从M8到M14，长度在16到140 mm之间，主要用于铝和钢中与安全相关和与碰撞相关的接头。一个例子是整体副车架，其在车辆的前端提供横向连接。它与侧梁一起支撑发动机以及电动车辆和各种其他单元中的电池组外壳，图4。加上额外的重量，如Guard车型，该车的重量约为4.5 t，比基本版的常规重量多2 t。这种情况，因为必须吸收作用在螺纹连接上的横向力，这就需要极高的预载力来防止整体副车架在极端情况下滑动。

直接拧紧系统b&m-Tight，此处为M14×50版本，特别适用于铝-钢复合结构(b&m)

跨几个产品线的设计

另一个挑战是车身的设计，它被用于多个产品线，被称为梅赛德斯-奔驰的模块化后部架构（Modular Rear Architecture，MRA）平台：根据车型，安装了铝管或钢管。例如，在铝管中，当使用b&m-Ttight M14×50时，由于成型扭矩相对较低，小于50 Nm，同时故障扭矩大于270 Nm，因此系统有利于最终拧紧的较大工艺窗口。这会产生超过85 kN的可靠预加载力，承载螺纹截面仅为1.7×D（D=标称外螺纹直径），见图5。

该图显示了b&m密封M14×50螺钉安装过程的三个阶段，直到达到脱模扭矩

阀座连接

也被证明是一项具有挑战性的任务:在某些情况下，传统的直接拧紧系统无法承受碰撞测试规范。另一方面，b&m-Tight做到了。由于其圆形螺纹横截面和完全成型的螺纹面，它提供了最大的螺纹面重叠，因此具有很高的拔出力。b&m-Tight使这成为可能，并可排除装配过程中任何潜在的混淆和错误风险。考虑到成本效率，这也减少了部件的多样性，例如对于两种不同的螺杆，以及工艺步骤的数量。

结论

传统的直接拧紧系统在铝合金的应用中经常遇到问题。凭借其特殊的成型区和圆形螺纹横截面，b&m-Tight螺钉非常适合这类材料，尤其是大拧入深度的材料，但也适用于高强度钢。螺杆和形成的螺纹之间的全螺纹面重叠允许在可靠的过程中传递最大可能的力。这种连接方案特别推荐用于铝-钢复合结构。另一个优势:如果核心孔是相应的，b&m-Tight是自密封。