基于前穩(wěn)定桿拉桿螺母松脫的分析以確定扭矩的影響

屈亞洲

前言

前麥弗遜式獨(dú)立懸架是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜的前懸布置方式，其有前輪布置空間大，定位參數(shù)容易保證的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代轎車中被廣泛應(yīng)用。其導(dǎo)向系統(tǒng)穩(wěn)定桿的布置是為了提高橫向角剛度，當(dāng)車輪在反向跳動(dòng)時(shí)防止車身側(cè)傾而設(shè)計(jì)的裝置。但在實(shí)際使用過程中，由于車輪跳動(dòng)，穩(wěn)定桿反復(fù)擺動(dòng)，造成穩(wěn)定桿拉桿螺母極易松脫。眾所周知，穩(wěn)定桿拉桿螺母的松脫使導(dǎo)向系統(tǒng)穩(wěn)定桿失去作用，從而出現(xiàn)車身側(cè)傾偏大，在急速轉(zhuǎn)彎時(shí)出現(xiàn)傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在車輛頻繁振動(dòng)條件下使前軸結(jié)構(gòu)松散，車輪定位參數(shù)超差，造成磨胎，行駛跑偏等影響行駛安全的因素。

針對(duì)這些因素，研究分析螺母松脫的原因，并以簡(jiǎn)化受力模型的方式分析穩(wěn)定桿拉桿結(jié)構(gòu)，計(jì)算其扭矩，以驗(yàn)證扭矩是否不足，再根據(jù)拉桿球頭的特殊性，研究其扭矩打緊方式，提出采用內(nèi)六角固定的方式擰緊力矩的重要性。

1、螺紋聯(lián)接的防松

現(xiàn)代轎車一般位置的螺紋聯(lián)接部分采用的螺栓都是單線普通螺紋螺栓，該螺紋升角（'ψ）小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角（vφ），螺紋聯(lián)接件本身滿足螺紋聯(lián)接的自鎖條件（vφψ＜）。除此外，擰緊后螺母和螺帽的支撐面上的摩擦力也有防松的作用。在靜載荷和在工作溫度不高時(shí)，螺紋聯(lián)接不會(huì)自動(dòng)松脫。但在沖擊、振動(dòng)、變載荷等作用下，螺旋副間的摩擦力可能減少或瞬間消失，在多次重復(fù)后，就會(huì)使聯(lián)接松脫。在高溫或溫度變化較大的情況下，由于螺紋聯(lián)接件和被聯(lián)接件的材料發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，也會(huì)使聯(lián)接中的預(yù)緊力和摩擦力減小，最終導(dǎo)致聯(lián)接失效。

那么防松的根本原因在于防止螺旋副在受載時(shí)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。針對(duì)麥弗遜式獨(dú)立懸架前穩(wěn)定桿桿拉桿的配合結(jié)構(gòu)，那么就是防止拉桿球銷螺母與穩(wěn)定桿發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2、簡(jiǎn)化受力模型的建立

該麥弗遜式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：

針對(duì)該種穩(wěn)定桿拉桿的聯(lián)接方式，按車輪跳動(dòng)受力的反方向由穩(wěn)定桿的擺動(dòng)對(duì)球銷聯(lián)接受力進(jìn)行分析：拉桿球銷共受到兩個(gè)力的作用：一個(gè)是在穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)矩的作用下要求球銷與穩(wěn)定桿不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，則球銷靠螺母擰緊后螺母與穩(wěn)定桿接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩（ μ F0·r）來(lái)抵抗轉(zhuǎn)矩（ T'），此時(shí)球銷有一個(gè)預(yù)緊力（ F0）的要求，另一個(gè)是在穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)矩的作用下，還有拉桿球銷啟動(dòng)扭矩（旋轉(zhuǎn)扭矩）施加的工作拉力（F）。此時(shí)拉桿螺母在這兩個(gè)力的復(fù)合作用下（ F2）要求不發(fā)生松脫現(xiàn)象。

對(duì)其建立受力模型如圖2：

3、扭矩計(jì)算

當(dāng)然，螺母的松脫有可能是由于拉桿與穩(wěn)定桿配合結(jié)構(gòu)不合理引起：如球銷的螺紋的長(zhǎng)短，球銷端面的大小，穩(wěn)定桿配合面平面度等等。這里假定球銷與螺母的配合及其扭矩的配合，穩(wěn)定桿端面的平面度都是正確的，來(lái)計(jì)算扭矩的選擇是否正確。

（1）當(dāng)車輪在做同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定桿不起作用，當(dāng)車輪在做反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定桿受扭轉(zhuǎn)，此時(shí)，穩(wěn)定桿上下擺動(dòng)，由穩(wěn)定桿的剛度（φC）和擺角（φ），可計(jì)算出穩(wěn)定桿極限狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩（1T）：

橫向穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式： T =Cφ×φ

穩(wěn)定桿剛度計(jì)算見圖3：

已知某穩(wěn)定桿振幅為±45mm，換算成角度為±14.2°，剛度為 14.2Nm/deg，經(jīng)計(jì)算穩(wěn)定桿擺動(dòng)時(shí)極限轉(zhuǎn)矩為T1= 4 03.28Nm 。

（2）穩(wěn)定桿與拉桿配合后，拉桿球銷與穩(wěn)定桿不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是拉桿球頭在球座內(nèi)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，球銷螺母的預(yù)緊力（ F0）滿足公式： μ F0r≥KfT1，變形為：

式中可靠性系數(shù) K f=1.3

式中接合面的摩擦系數(shù)μ=0.15

（3）拉桿球銷在工作時(shí)，啟動(dòng)瞬間有啟動(dòng)力矩，旋轉(zhuǎn)時(shí)有旋轉(zhuǎn)力矩，一般情況下，球銷在啟動(dòng)時(shí)力矩大于旋轉(zhuǎn)力矩，因此取啟動(dòng)力矩(T2)進(jìn)行工作拉力（F）的計(jì)算：

根據(jù)預(yù)緊力與擰緊力矩的關(guān)系式T= K F0d，有：

式中：扭矩系數(shù) 0.17K=

已知上述某車球銷啟動(dòng)力矩 Nm5.3T2= ，球銷直徑d= 1 0mm ，經(jīng)計(jì)算 F =2×103N。

（4）對(duì)拉桿球銷受力分析結(jié)果，其受預(yù)緊力（0F）和工作拉力（F）的復(fù)合作用，則實(shí)際受力為（2F）。

根據(jù)承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接的計(jì)算公式：

（5）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)理論，對(duì)M10～M64的普通螺紋的鋼制緊螺栓聯(lián)接，在扭轉(zhuǎn)時(shí)同時(shí)承受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在計(jì)算時(shí)可以只按拉伸強(qiáng)度計(jì)算，將總拉力增加30%以考慮扭轉(zhuǎn)的影響。

則根據(jù)預(yù)緊力與擰緊力矩的關(guān)系式 T = K F0d，可計(jì)算出球銷在實(shí)際受力（ F2）時(shí)所要求的最小擰緊力矩（T）：

將上式變形有 T = 1.3F2Kd

式中：扭矩系數(shù) K =0.17

已知上述某車球銷直徑 d = 1 0mm，經(jīng)計(jì)算其最小擰緊力矩為 T = 4 3.3Nm。

4、結(jié)果分析

以上對(duì)拉桿球銷的受力進(jìn)行了分析，以及采用普通計(jì)算的方法對(duì)球銷最小力矩進(jìn)行了計(jì)算介紹。但現(xiàn)代對(duì)螺母扭矩的選取常采用螺栓分析軟件以及 CAE分析軟件對(duì)配合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析從而獲取所需螺栓的等級(jí)、規(guī)格，相應(yīng)選配正確的螺母。然后再由試驗(yàn)確認(rèn)最佳扭矩，因?yàn)榕ぞ叵禂?shù)會(huì)受螺栓的尺寸，螺栓參數(shù)，螺紋副，被緊固件的材質(zhì)、硬度、表面粗糙度、表面處理和螺母狀態(tài)等諸多因素的影響。

采用普通計(jì)算的方法對(duì)聯(lián)接件扭矩的選取一般在試驗(yàn)取得的結(jié)果上下浮動(dòng)。已知某型拉桿球銷的裝配力矩為 50±5Nm，經(jīng)過以上的計(jì)算可見其滿足使用要求。但該型轎車在路試中頻繁出現(xiàn)螺母松脫的問題，那么造成螺母松脫可能是：

（1）該型轎車在顛簸路面行駛過程中，穩(wěn)定桿系統(tǒng)反復(fù)的振動(dòng)使球銷螺母預(yù)緊力和接合面間的摩擦力，螺栓副的摩擦力減小而發(fā)生松脫。

（2）由于現(xiàn)代工業(yè)對(duì)工作效率提高的要求，某些整車廠采用氣動(dòng)扭矩扳手對(duì)球銷力矩進(jìn)行打緊，而忽略了球銷結(jié)構(gòu)的特殊性。一般對(duì)有旋轉(zhuǎn)要求的鉸鏈點(diǎn)采用球頭結(jié)構(gòu)，就是使球銷在一定范圍角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。采用氣動(dòng)扭矩扳手，由于球銷跟轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致力矩?zé)o法打緊，造成其在顛簸路面松脫。

針對(duì)以上原因，采用一般尼龍防松螺母和改進(jìn)擰緊方式，使用內(nèi)六角固定球銷，開口式力矩扳手?jǐn)Q緊力矩進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過在該型轎車10000Km比例石路面測(cè)試，不再松脫。

5、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過對(duì)一種麥弗遜式獨(dú)立懸架前穩(wěn)定桿拉桿螺母松脫問題的研究，分析了其受力結(jié)構(gòu)，計(jì)算了扭矩，驗(yàn)證了不是扭矩不足造成螺母松脫的原因。這種簡(jiǎn)化受力模型進(jìn)行力矩計(jì)算的方法對(duì)其他位置的螺母擰緊力矩的計(jì)算具有參考意義。

同時(shí)分析了螺母松脫的原因是螺旋副發(fā)生了相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以及造成螺旋副發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分原因。提出了球頭結(jié)構(gòu)的特殊性，經(jīng)過改進(jìn)擰緊方式滿足扭矩和采用螺母防松措施，保證了拉桿工作的安全性。

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