汽車底盤螺紋連接設(shè)計研究

【摘要】簡要分析了螺紋連接松動的原因，指出在預(yù)緊力變形和受軸向、橫向動靜載荷作用下，螺紋連接會發(fā)生松動。并簡要論述了底盤設(shè)計應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】汽車；底盤；螺紋連接；設(shè)計

眾所周知，螺紋連接是最基本的一種連接形式，有著構(gòu)造簡單、成本低、安裝拆卸方便等優(yōu)點，在現(xiàn)代汽車工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。所以控制好螺紋連接質(zhì)量，確保螺紋連接的可靠性對汽車底盤產(chǎn)品來說至關(guān)重要。緊螺栓連接時，必須考慮螺栓的預(yù)緊和防松問題，這兩方面的問題直接關(guān)系到產(chǎn)品的功能正常實現(xiàn)，不容小視。

1、螺紋連接原理及松動原因

1.1螺紋連接原理

螺栓的緊固扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系：

扭矩系數(shù)K是反映螺栓擰緊過程中的扭矩和軸向夾緊力之間關(guān)系的系數(shù)，K值越小，螺紋摩擦和端面摩擦所消耗比越小。目前國產(chǎn)螺栓K值變化非常大，即緊固扭矩變化非常大。相反，在保證緊固扭矩相同的情況下，軸向夾緊力比較分散。在擰緊螺栓時，有部分的扭矩消耗在螺栓端面的摩擦上，有部分扭矩消耗在螺紋的摩擦上，僅有很少的扭矩用來產(chǎn)生預(yù)緊力（見表1）。目前國內(nèi)普通螺栓摩擦系數(shù)在0.3左右，為降低摩擦系數(shù)，采用在螺紋表面涂抹螺紋穩(wěn)定劑的方法控制螺紋摩擦系數(shù)在0.11～0.16范圍，以降低螺紋摩擦所占比例，提高預(yù)緊力。

1.2螺紋聯(lián)接松動的原因

對螺紋聯(lián)接而言，引起螺紋聯(lián)接件松動的原因很多，但歸納起來主要為以下3個方面的原因：

1.2.1聯(lián)接面變形

螺紋聯(lián)接時施加一定的預(yù)緊力使螺栓產(chǎn)生拉伸變形，在聯(lián)接件的接觸面上產(chǎn)生塑性環(huán)形壓陷，螺紋副表面粗糙度、波紋度及形位誤差等產(chǎn)生局部塑性變形。在使用過程中，塑性變形的繼續(xù)發(fā)生，使螺紋副和支撐面上產(chǎn)生微小的滑動，進而使預(yù)緊力下降，促使螺紋聯(lián)接發(fā)生松動。

1.2.2受軸向載荷作用產(chǎn)生松動

當(dāng)有初始預(yù)緊力的螺紋聯(lián)接受到軸向載荷作用時，螺栓受軸向力的拉伸。螺紋牙斜面上受到徑向分力的作用，螺紋接觸面間會產(chǎn)生微小的相對滑動。在載荷的反復(fù)作用下，這種相對滑動逐漸增大，當(dāng)達到破壞螺紋聯(lián)接的自鎖條件時，會使螺母松動回轉(zhuǎn)，聯(lián)接失效。

1.2.3受橫向載荷作用產(chǎn)生松動

當(dāng)有初始預(yù)緊力的螺紋聯(lián)接受到垂直于軸線的橫向載荷作用時，在橫向力的反復(fù)作用下，使螺紋發(fā)生彈性的扭轉(zhuǎn)變形或零件接觸面之間有垂直于螺紋軸線方向的相對滑移。逐漸累積起的扭轉(zhuǎn)位移，迫使螺旋副沿螺旋方向下滑，從而逐漸使預(yù)應(yīng)力減小，甚至消失，進而使螺紋聯(lián)接出現(xiàn)松動。

以上原因往往是在變載、沖擊、振動等作用下同時出現(xiàn)，且交互作用。此外，工作溫度等因素的變化，也會引起螺紋聯(lián)接松動。[2]

2、螺紋連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計

下面以副車架與擺臂連接體的設(shè)計為例細說螺紋連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，此案例是汽車底盤的重要螺紋連接體，擰緊方法采用扭矩法。

2.1副車架設(shè)計

對于副車架與擺臂的連接，螺栓不受軸向載荷，只承受橫向載荷。初始的螺紋聯(lián)接松動往往與聯(lián)接面加工精度有關(guān)，下面通過試驗進行研究。

1.領(lǐng)取試驗器材：后副車架兩臺、后下擺臂安裝螺栓/螺母各四只、后下擺臂軸套四只、塞尺、力矩扳手、活扳手、點漆筆、游標(biāo)卡尺；

2.用點漆筆畫出后下擺臂軸套與副車架配合區(qū)域，該區(qū)域為檢測區(qū)域；

3.三坐標(biāo)檢測：檢測副車架開口尺寸、平面度、平行度，軸套兩端尺寸；

4.檢測擺臂軸套夾緊力矩：安裝擺臂軸套，緩慢旋轉(zhuǎn)軸套同時緩慢擰緊力矩扳手直到軸套不旋轉(zhuǎn)為止，記錄力矩；

5.檢測擺臂軸套貼平力矩：用塞尺（0.05mm）檢測軸套端面與開口間隙，每擰緊10N·m檢測一次，直到不能塞進為止，記錄力矩；

6.靜置48小時后，檢測螺栓擰松力矩，記錄力矩。

具體檢測結(jié)果如下：

從試驗數(shù)據(jù)可以明確看出，副車架擺臂支架（與橡膠襯套內(nèi)管配合處）的平行度和平面度與螺紋連接力矩有密切關(guān)系。平行度和平面的精度較低，有限的緊固力矩大多數(shù)被用來克服支架變形使襯套端面與支架貼平，剩余小部分的緊固力矩被轉(zhuǎn)化為軸向力起到緊固作用，螺紋連接早期失效就可想而知啦。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，提供足夠的軸向力，降低螺栓擰緊力矩的衰減風(fēng)險，副車架設(shè)計時重點關(guān)注襯套內(nèi)管配合面的平行度和平面度的精度，必要時可考慮設(shè)計成凸臺結(jié)構(gòu)。

2.2擺臂設(shè)計

擺臂橡膠襯套總成的結(jié)構(gòu)是由內(nèi)管、橡膠體2部分組成：內(nèi)管是壁厚較大的鋼管，內(nèi)孔能夠穿過螺栓，內(nèi)管的兩端面有尖齒。內(nèi)管與橡膠體硫化到一起。襯套總成壓裝到擺臂套管上，襯套由于受到螺栓的軸向力，當(dāng)下擺臂擺動時，內(nèi)襯套不能隨其擺動，橡膠體扭轉(zhuǎn)彈性變形實現(xiàn)擺動。見圖一。

為很好地實現(xiàn)設(shè)計功能，要求橡膠襯套總成能夠有效緊固。將端面設(shè)計成齒形結(jié)構(gòu)，緊固襯套總成時，內(nèi)管端面的尖齒嵌入到副車架擺臂安裝支架板內(nèi)，能夠有效的防止車輪跳動過程中，襯套內(nèi)管相對副車架保持靜止，使襯套總成實現(xiàn)、減震吸能的作用。尖齒的齒長呈輻射狀分布，抵抗轉(zhuǎn)動的能力最強，但加工工藝復(fù)雜一些；呈平行線狀分布，抵抗轉(zhuǎn)動的能力差些，但加工工藝簡單。尖齒的形狀和分布見圖二。

參考文獻

[1]GB/T 16823.2-1997，螺紋緊固件緊固通則[S].

[2]姚敏茹.螺紋聯(lián)接防松技術(shù)的研究應(yīng)用與發(fā)展.新技術(shù)新工藝，2006（6）：26.