組合軸承轉(zhuǎn)角扭矩法的參數(shù)確定

【美國】Arlindo Marques

（司百諾（上海）貿(mào)易有限公司，上海201108）

組合軸承轉(zhuǎn)角扭矩法的參數(shù)確定

【美國】Arlindo Marques

（司百諾（上海）貿(mào)易有限公司，上海201108）

SUSPENSYS公司為其車軸產(chǎn)品采用德國FAG公司生產(chǎn)的無需調(diào)整和潤滑的新組合軸承。因傳統(tǒng)的螺紋緊固件不能為該組合軸承提供穩(wěn)定的緊固性能，也不能滿足新軸承重復(fù)使用的要求，故此組合軸承采用司百諾公司的專利螺紋技術(shù)并采用轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊法。司百諾內(nèi)螺紋齒型不僅非常有效地抵抗橫向振動(dòng)的影響，橫向振動(dòng)是導(dǎo)致傳統(tǒng)螺紋松動(dòng)的主要原因，而且使施加的純扭矩或扭矩-轉(zhuǎn)角與預(yù)緊力之間的關(guān)系更加一致。試驗(yàn)證明采用這種螺紋技術(shù)結(jié)合轉(zhuǎn)角扭矩法能滿足新的組合軸承對螺栓連接的要求。最后確定裝配線上的螺紋連接的轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊工藝。發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)大量采用螺紋連接，人們一直研究如何獲得有效可靠的螺紋連接，此論文可為許多發(fā)動(dòng)機(jī)工程師提供有價(jià)值的參考。

軸承螺紋連接扭矩預(yù)緊力

1 引言

本工作是因SUSPENSYS公司應(yīng)用一種新型的組合軸承，需要采用有效的緊固件而提出的。采用FAG公司的組合軸承，就無需調(diào)整和潤滑，因此消除了軸承的拆裝錯(cuò)誤的可能性。此外，對于MAXIUNI車軸，通過采用新的組合軸承和新的緊固件系統(tǒng)，與常規(guī)車軸相比，可大大減少其轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的零部件數(shù)量，從而大大降低維修保養(yǎng)費(fèi)用。目前采用的傳統(tǒng)的帶螺母和鎖緊墊圈的緊固件系統(tǒng)不僅不能保證穩(wěn)定的緊固性能，而且不能滿足新概念軸承的重復(fù)使用要求。為此，SUSPENSYS公司與司百諾（SPIRALOCK）公司合作啟動(dòng)了一個(gè)旨在確定符合軸承制造商產(chǎn)品規(guī)格的新型緊固件系統(tǒng)的項(xiàng)目。

由司百諾公司提出的解決方案為：一種具有獨(dú)特螺紋齒型并帶法蘭面的M90×2螺母，采用轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊法，而不采用扭矩法，因?yàn)榕ぞ胤〞?huì)造成預(yù)緊力離散度偏大，不能保證必要的預(yù)緊力。司百諾內(nèi)螺紋齒型可以非常有效地抵抗橫向振動(dòng)的影響，而橫向振動(dòng)是導(dǎo)致傳統(tǒng)螺紋松動(dòng)的主要原因。司百諾內(nèi)螺紋齒型還可使裝配扭矩或裝配轉(zhuǎn)角-扭矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系更加一致。預(yù)緊力和擰緊力矩一致性的改進(jìn)，是保證軸承上預(yù)緊力離散度小的基礎(chǔ)，本文后面主要解釋此概念。司百諾螺紋齒型的另一個(gè)重要特點(diǎn)是不需要任何附加的防松方法，如鎖緊墊圈、螺紋粘合劑、翻邊、鑲嵌物等。其自鎖特點(diǎn)通過螺栓外螺紋牙頂與司百諾內(nèi)螺紋楔形面接觸而實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。一旦外螺紋牙頂與內(nèi)螺紋楔形長度上的面接觸，徑向間隙就不復(fù)存在。徑向間隙是導(dǎo)致傳統(tǒng)螺栓連接出現(xiàn)自行松動(dòng)的主要原因。如圖2和圖3所示，司百諾螺紋齒形在螺栓外螺紋的牙頂和司百諾內(nèi)螺紋楔形面之間產(chǎn)生徑向分布的接觸載荷與標(biāo)準(zhǔn)的60°螺紋齒型相比；標(biāo)準(zhǔn)60°齒形螺紋受力更集中在第一牙上，與之相比，司百諾內(nèi)螺紋則可以使整個(gè)螺紋旋合長度上的受力更加均勻。

首先制作一個(gè)載荷元件，用于預(yù)測軸承和輪轂組合的結(jié)構(gòu)性能。該元件的外徑接近于組合軸承的內(nèi)徑，以方便裝配。由于軸承和轂組合的剛性大，變形就小。為獲得可測應(yīng)變幅值的電信號，正確的應(yīng)變感應(yīng)器（應(yīng)變片）位置就非常重要。因此對受力元件進(jìn)行了有限元分析，確定了安裝應(yīng)變片理想的位置。受力元件組裝后進(jìn)入試驗(yàn)。從試驗(yàn)中，得到每一轉(zhuǎn)角下的受力曲線和扭矩曲線。第一組測試結(jié)果是：為獲得95~110 kN預(yù)緊力需要扭矩和轉(zhuǎn)角為294 N·m+22.5°。

為提高軸承和輪轂組件剛度性能的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，用組合軸承自身的內(nèi)環(huán)建立第2個(gè)受力元件。將軸承裝入輪轂中進(jìn)行試驗(yàn)，更符合系統(tǒng)剛度的實(shí)際情況。這樣可改進(jìn)組件的分析。使用扭矩法，進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)為獲得相同要求的預(yù)緊力，扭矩變化范圍為1 470~2 450 N·m。試驗(yàn)結(jié)論是提高扭矩值，預(yù)緊力的離散度也相應(yīng)加大，這可在現(xiàn)有專業(yè)文獻(xiàn)中得到證明。

圖1 司百諾內(nèi)螺紋齒型

圖2 司百諾內(nèi)螺紋與傳統(tǒng)螺紋徑向力的比較

圖3 司百諾內(nèi)螺紋和傳統(tǒng)螺紋受力分布

2 采用新組合軸承與新型螺紋技術(shù)的必要性

縱觀當(dāng)今世界市場局勢，競爭高度激烈，其中以運(yùn)輸行業(yè)為最具代表性；為了滿足客戶苛刻的期望和要求，具備高效的技術(shù)團(tuán)隊(duì)是十分必要的。

面對這種趨勢，SUSPENSYS公司除了不斷加大投資力度和采用最先進(jìn)裝備外，還憑借其專業(yè)知識(shí)和久經(jīng)市場考驗(yàn)的內(nèi)在信仰，及訓(xùn)練有素的技術(shù)人員，來滿足客戶提出的更多樣化的要求。

SUSPENSYS公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi){借擴(kuò)大與征服市場的理念，根據(jù)汽車制造商的各種需求開發(fā)出各種各樣的懸架，車軸、輪轂和鼓輪。SUSPENSYS公司開發(fā)出了新的輪轂和軸承系統(tǒng)，取代目前的圓錐軸承（80×90 mm）。

根據(jù)軸承制造商所要求的規(guī)格，軸承必須用95~110 kN的預(yù)緊力進(jìn)行裝配，以達(dá)到其理想壽命。由于現(xiàn)有的緊固件系統(tǒng)在運(yùn)行中存在間隙，必須對現(xiàn)有的緊固件系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

司百諾公司所提出的解決方案是：一種專利螺紋齒型并帶法蘭面的M90×2螺母，用轉(zhuǎn)角扭矩法，而不采用扭矩法。扭矩法的離散度較大，無法保證正確的預(yù)緊力。從新型緊固件概念出發(fā)進(jìn)行了一系列研究，旨在制定轉(zhuǎn)角扭矩法工藝，以保證軸承上得到所要求的預(yù)緊力。

3 螺栓連接特征

當(dāng)螺栓擰緊后，通過螺栓的伸長而產(chǎn)生預(yù)緊力，同時(shí)接連處會(huì)產(chǎn)生變形，變形量與施加載荷成正比。螺栓每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，螺栓伸長量和連接處的變形量等于一個(gè)螺距，下列方程式描述了在彈性區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)角與預(yù)緊力之間的關(guān)系：

式中：

α——螺栓轉(zhuǎn)角；

δs——螺栓彈性（Bolt resilience）；

δp——連接件彈性；

p——螺距；

Ff——預(yù)緊力。

實(shí)際上，該公式是螺栓連接的虎克定律。

預(yù)緊力還取決于在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的緊固件效率。當(dāng)施加扭矩時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生預(yù)緊力外，由于摩擦力在旋合的螺紋及螺栓頭部的接觸面上的作用，還會(huì)在螺栓上產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，其結(jié)果降低了螺栓產(chǎn)生預(yù)緊力的能力。

通常把平面應(yīng)力強(qiáng)度（張緊）和復(fù)合應(yīng)力強(qiáng)度（張緊+扭轉(zhuǎn)）二者之間的關(guān)系稱為效率，用下式表示：

式中：

Rf——張緊強(qiáng)度；

As——緊固件體的橫向截面。

效率取決于螺紋的摩擦系數(shù)，且可計(jì)算為：

式中，

μs——螺紋摩擦系數(shù)；

d2——螺紋中徑；

d1——螺紋小徑。

上述公式表明，增加螺紋的摩擦系數(shù)，就降低緊固件效率，因而降低復(fù)合應(yīng)力下產(chǎn)生張緊力的能力。

裝配時(shí)，采用轉(zhuǎn)角扭矩法，分為兩個(gè)明顯不同的步驟：第一是適合的扭矩，第二是擰緊轉(zhuǎn)角。

有必要用適當(dāng)?shù)呐ぞ貙⒙菟〝Q緊到預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角成正比的虎克定律有效范圍內(nèi)。換句話說，每次增大擰緊角度，預(yù)緊力就成比例增加。從圖4可以看到一個(gè)典型的預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。

圖4 螺栓連接緊固曲線

適合的扭矩必須定為獲得進(jìn)入預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角成正比例的范圍而所需要的最小扭矩值。用大扭矩進(jìn)行裝配會(huì)使預(yù)緊力變化范圍增大，因?yàn)轭A(yù)緊力與扭矩之間的關(guān)系取決于緊固件的摩擦系數(shù)。這種關(guān)系如以下公式所示：

式中：

Tf——扭矩；

Ff——預(yù)緊力；

K——扭矩系數(shù)；

d——螺栓直徑。

扭矩系數(shù)K可按下式計(jì)算：式中，

μw——螺栓頭部摩擦系數(shù)；

Dkm——螺栓頭部理論摩擦半徑。

式中，

dk——螺栓頭部接觸面外徑；

DB——連接孔孔徑。

因此，預(yù)緊力和扭矩之間的關(guān)系取決于螺紋和螺栓頭部的摩擦系數(shù)，以及螺栓頭部的摩擦半徑。摩擦系數(shù)主要取決于表面粗糙度，而理論摩擦半徑則取決于螺栓頭部的幾何形狀，螺栓頭部的幾何形狀可以從凹面變化到凸面。在相同尺寸情況下，凹面所產(chǎn)生的理論摩擦半徑大于凸面所產(chǎn)生的理論摩擦半徑。

4 理論預(yù)緊力的確定

將前面試驗(yàn)得到的最小扭矩的10%，即1 500 N·m作為初始理論扭矩的估算值，用估算值和表1中的摩擦系數(shù)，計(jì)算出預(yù)緊力的變化：

表1 摩擦系數(shù)

根據(jù)此摩擦系數(shù)變化，可計(jì)算出裝配預(yù)緊力變化范圍：

因此，對于當(dāng)前所使用的螺母而言，裝配的理論預(yù)緊力為72.46~98.04 kN。

5 轉(zhuǎn)角扭矩法參數(shù)的確定

如圖5所示為作為受力元件為本體的組合軸承。應(yīng)力片置于組合軸承環(huán)內(nèi)。第1個(gè)整體式受力元件為早期的分析獲得了合理的結(jié)果，但其由2個(gè)不同的內(nèi)環(huán)構(gòu)成，對軸承的結(jié)構(gòu)性能模擬不能保持前后一致。因此，可選擇將組合軸承本身就作為受力元件，只要受力元件的剛度與所研究的軸承剛度相同。為更好地了解其上的應(yīng)力和應(yīng)變情況，也為了選擇應(yīng)變片的理想位置，對此元件進(jìn)行了有限元分析。

在一臺(tái)通用張緊/壓力測試機(jī)上對受力元件進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果（如圖6所示）與從德國FAG的測試機(jī)上獲得的結(jié)果（如圖7所示）相似。從圖6和圖7可看到由FAG測試的軸承剛性與為標(biāo)定和

測量該新型系統(tǒng)而研制的載荷元件的剛度相似。

圖5 應(yīng)變片在組合軸承中的位置

圖6組合軸承載荷元件上力與位移的標(biāo)定曲線

圖6 和圖7中的兩斜線段明顯不同，第1直線段清楚地反映了調(diào)整滾動(dòng)軸承與兩個(gè)內(nèi)環(huán)凸肩連接情況，第2直線段反映了連接調(diào)整期剛度更高時(shí)的整個(gè)軸承發(fā)生彈性變形情況。如前所述，圖7中的軸承剛度曲線是從如圖8所示的德國FAG試驗(yàn)室得到的。耐久試驗(yàn)是在該實(shí)驗(yàn)室完成的。

如圖9所示的受力元件標(biāo)定完成后，進(jìn)行了數(shù)次初始試驗(yàn)（見圖10）。試驗(yàn)中改變扭矩、轉(zhuǎn)角，用相同的轉(zhuǎn)角扭矩施加速度對12個(gè)不同車軸/螺母進(jìn)行了測試，結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)時(shí)對螺紋和螺母的法蘭面進(jìn)行無潤滑或潤滑。

如圖11所示為一轉(zhuǎn)角扭矩法應(yīng)用的例子。在同一車軸上重復(fù)測試3次，結(jié)果是適合扭矩為343 N·m時(shí)，轉(zhuǎn)角為25°。該圖還顯示了第1次轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊后預(yù)緊力所發(fā)生的顯著變化。在第1次轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊后直至穩(wěn)定前，預(yù)緊力有增加的趨勢。如圖12所示為在同一車軸上測試3次，第1次擰緊的適合扭矩為343 N·m，轉(zhuǎn)角為25°，后2次的擰緊的適合扭矩為343 N·m，轉(zhuǎn)角為20°。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定必須用自動(dòng)扭矩扳手裝配。第1次裝配時(shí)擰緊的適合扭矩為343 N·m，轉(zhuǎn)角為25°。如果因現(xiàn)場保養(yǎng)或任何返工需要，第2次及以后的裝配擰緊的適合扭矩仍為343 N·m，但轉(zhuǎn)角為20°。對螺紋和法蘭面進(jìn)行適當(dāng)潤滑，預(yù)緊力將控制在95 kN至110 kN之間。

圖7 德國FAG的組合軸承上力與變形的曲線

圖8 德國FAG試驗(yàn)室及夾具

圖9 組合受力元件

圖10 用于確定轉(zhuǎn)角扭矩裝置

表2 在不同車軸上的測試結(jié)果

圖11 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩法應(yīng)用的例子

圖12 相同適合扭矩下預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角關(guān)系

6 確認(rèn)裝配線上的擰緊參數(shù)

用試驗(yàn)方法確定所需的扭矩和轉(zhuǎn)角后，開始進(jìn)行確認(rèn)在裝配線上采用轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊設(shè)備是否也能得到同樣的結(jié)果。

為了確認(rèn)，使用了在試驗(yàn)階段使用的相同的載荷元件。表3列出部分最終測定結(jié)果。圖13所示的是已在裝配線上關(guān)鍵工序中對不同車軸采用轉(zhuǎn)角扭矩法的結(jié)果。

表3 2個(gè)實(shí)例結(jié)果

7 結(jié)論

新型車用MAXIUNI車軸采用技術(shù)創(chuàng)新，減少了組件的自身重量和復(fù)雜性，使維修更加方便，且減少故障，降低維修費(fèi)用，增加凈運(yùn)輸載荷。采用符合車軸設(shè)計(jì)的FAG組合軸承對取得此技術(shù)創(chuàng)新的特點(diǎn)和優(yōu)勢起了很大作為用。同時(shí)，這種組合軸承對以前使用的緊固件系統(tǒng)（如60°齒型的螺母、墊圈和鋸齒狀墊圈以及在車軸上開槽）來說，預(yù)緊力變化控制要求高。采用司百諾螺紋齒型的螺母，并用轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊法，除具有所要求的自防松性能外，提供的預(yù)緊力變化在軸承要求的范圍內(nèi)。對由軸承和應(yīng)變片組成的載荷元件進(jìn)行了試驗(yàn)，得到的結(jié)果與在德國FAG磨損試驗(yàn)室里得到的測試結(jié)果相似，證實(shí)了該試驗(yàn)結(jié)果的精確性。

圖13 裝配線上軸承上受到的軸向載荷

在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測試的結(jié)果如下：最終預(yù)緊力為95~130 kN，第1次裝配緊固參數(shù)為343 N·m+ 25°，第2次及以后裝配時(shí)的擰緊參數(shù)為343 N·m+ 20°，以上測試都是有潤滑的情況下進(jìn)行的。應(yīng)當(dāng)指出，這些試驗(yàn)是在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，擰緊轉(zhuǎn)角的測量不太精確，故出現(xiàn)預(yù)緊力測量值的上限大于要求值。

盡管如此，在裝配線上所得到的結(jié)果顯示，使用測量精度高的轉(zhuǎn)角扭矩?cái)Q緊機(jī)，獲得的最終預(yù)緊力為95~113 kN。第1次裝配時(shí)擰緊參數(shù)為343 N·m+25°，第2次及以后裝配的擰緊參數(shù)為343 N·m+20°，測試全部是在有潤滑的情況下進(jìn)行的。

Determ ination of Torque-Angle Tightening Parameters of Unitized Bearing

Arlindo Marques

(Spiralock(Shanghai)Trading Company,Shanghai201108,China)

Suspensys adopted a new concept of FAG unitized bearing that does not need any ad justment or lubrication.For this new bearing,conventional 60°thread form fastener system w ith nut and lock w asher can not guarantee consistent tightening,or repeatability for the new bearing.Thus,Suspensys w orked w ith Spiralock Corporation and applied Spiralock's patent thread w ith torque-angle tightening method.Spiralock thread form is exceptionally resistant to the effects of transverse vibration,the major cause of thread loosening.This internal thread form also provides a more consistent relationship betw een torque/torque-angle and obtained preload.Experiments show ed that this unique internal thread form w ith torqueangle tightening method could effectively provide comm itment of thread connection for the new bearing.Based on the experim ents,the torque-angle process w as developed to guarantee the required clam ping load in the bearings at the assemble line.Thread connection is w idely used in engine industry.How to have an effective and reliable thread connection has been studied all the tim e.The information provided in this paper can serve as valuable reference for many engine engineers.

bearing,thread connection,torque,clamping force

來稿日期：2009-03-25

Arlindo M arques（1960-），男，全球工程應(yīng)用部主任，主要研究方向?yàn)樘厥饩o固件和刀具。