淺談汽車底盤的研發(fā)與設(shè)計(jì)探究

趙清閣 李振山

【摘 要】本文主要就汽車底盤螺紋連接設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，首先闡述了螺紋連接松動(dòng)的原因，然后指出在預(yù)緊力變形和受軸向、橫向動(dòng)靜載荷作用下，螺紋連接會(huì)發(fā)生松動(dòng)。最后探討了底盤設(shè)計(jì)應(yīng)用。本文以下進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

【關(guān)鍵詞】汽車；底盤；螺紋連接；設(shè)計(jì)

一、前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車成為了人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ?。汽車底盤設(shè)計(jì)作為汽車整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，人們對它的要求也越來越嚴(yán)格。我國在汽車底盤設(shè)計(jì)上取得了一定的成績，但依然存在一些問題需要改進(jìn)。

二、底盤設(shè)計(jì)要求

底盤設(shè)計(jì)考慮的關(guān)鍵在于滿足整車性能的各項(xiàng)指標(biāo)。汽車應(yīng)當(dāng)具備的基本性能可概括為動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性、操穩(wěn)性、平順性、安全性和耐久性。一般所說的底盤工程包括前后懸架、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系和車輪的設(shè)計(jì)配置。與這些系統(tǒng)直接相關(guān)的整車性能有制動(dòng)性、操穩(wěn)性和平順性。底盤的懸架部件本身要足夠牢固，而其設(shè)計(jì)是否到位直接影響車架車身的受力大小，同時(shí)底盤設(shè)計(jì)也和耐久性相關(guān)。

三、螺紋連接原理及松動(dòng)原因

1、螺紋連接原理

螺栓的緊固扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系：Tf=KFfd

Tf――為緊固扭矩，F(xiàn)f――為預(yù)緊力，d――為螺紋公稱直徑，K――為扭矩系數(shù)。

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(shí)，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。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。

2、螺紋聯(lián)接松動(dòng)的原因

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

（1）聯(lián)接面變形

螺紋聯(lián)接時(shí)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(dòng)，進(jìn)而使預(yù)緊力下降，促使螺紋聯(lián)接發(fā)生松動(dòng)。

（2）受軸向載荷作用產(chǎn)生松動(dòng)

當(dāng)有初始預(yù)緊力的螺紋聯(lián)接受到軸向載荷作用時(shí)，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(huì)產(chǎn)生微小的相對滑動(dòng)。在載荷的反復(fù)作用下，這種相對滑動(dòng)逐漸增大，當(dāng)達(dá)到破壞螺紋聯(lián)接的自鎖條件時(shí)，會(huì)使螺母松動(dòng)回轉(zhuǎn)，聯(lián)接失效。

（3）受橫向載荷作用產(chǎn)生松動(dòng)

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(shí)，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(jìn)而使螺紋聯(lián)接出現(xiàn)松動(dòng)。

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

四、螺紋連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下面以副車架與擺臂連接體的設(shè)計(jì)為例細(xì)說螺紋連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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。

1、副車架設(shè)計(jì)

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(dòng)往往與聯(lián)接面加工精度有關(guān)，下面通過試驗(yàn)進(jìn)行研究。

（1）領(lǐng)取試驗(yàn)器材：后副車架兩臺(tái)、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(diǎn)漆筆、游標(biāo)卡尺；

（2）用點(diǎn)漆筆畫出后下擺臂軸套與副車架配合區(qū)域，該區(qū)域?yàn)闄z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(shí)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(jìn)為止，記錄力矩；

（6）靜置48小時(shí)后，檢測螺栓擰松力矩，記錄力矩。

2、擺臂設(shè)計(jì)

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(dòng)時(shí)，內(nèi)襯套不能隨其擺動(dòng)，橡膠體扭轉(zhuǎn)彈性變形實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)。

為很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，要求橡膠襯套總成能夠有效緊固。將端面設(shè)計(jì)成齒形結(jié)構(gòu)，緊固襯套總成時(shí)，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(dòng)過程中，襯套內(nèi)管相對副車架保持靜止，使襯套總成實(shí)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(dòng)的能力最強(qiáng)，但加工工藝復(fù)雜一些；呈平行線狀分布，抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)的能力差些，但加工工藝簡單。

（1）設(shè)定螺紋緊固件的最小軸力和最大軸力，也就是設(shè)定螺紋緊固件的擰緊扭矩的最小值和最大值，是螺紋連接體設(shè)計(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵。要從螺紋連接體的功能、緊固件和被緊固件的結(jié)構(gòu)、性能、表面狀態(tài)以及實(shí)施螺紋緊固的方法和工具等方面綜合考慮。設(shè)定的軸力（或扭矩）過小，會(huì)影響設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)；設(shè)定的軸力（或扭矩）過大，會(huì)引起緊固件失效（斷裂、滑牙、屈服）或緊固件被壓潰等故障。為了充分發(fā)揮緊固件的性能，一般應(yīng)使螺栓的軸力為該螺栓保證載荷的60%～8O%。

（2）螺紋緊固件緊固完畢后，質(zhì)檢員檢測時(shí)，往往得不到裝配時(shí)的擰緊扭矩，即使用相同的檢具也是如此。擰緊扭矩隨著時(shí)間的推移而衰減，可以說是正常的、不可避免的。這種檢測應(yīng)在裝配后數(shù)分鐘內(nèi)進(jìn)行才有意義。即使刻線做標(biāo)記證明螺栓、螺母裝配完畢后沒有發(fā)生位移，但是擰緊扭矩仍然是衰減了。因些復(fù)檢時(shí)，擰緊扭矩稍有衰減，并不能作為緊固件是否松動(dòng)的依據(jù)。

（3）新設(shè)計(jì)的螺紋連接體，要按一定程序進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從簡單的臺(tái)架模擬試驗(yàn)到嚴(yán)酷的實(shí)車試驗(yàn)場試驗(yàn)都合格后，才能應(yīng)用到商品車的試生產(chǎn)。因?yàn)椤霸O(shè)計(jì)”本身就難免有不確定的因素。就是成功的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)了一定的數(shù)量或者更換了供應(yīng)商，仍然要進(jìn)行必要的試驗(yàn)認(rèn)證。

五、車底盤的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

目前汽車上每個(gè)總成幾乎是機(jī)械、電子和信息一體化裝置。在系統(tǒng)中電子和信息部分所起的作用也越來越重要，汽車工電子裝置的增加使連接的電子線路迅速膨脹，線束越來越復(fù)雜。在汽車設(shè)計(jì)、裝配、維護(hù)中的負(fù)擔(dān)甚至到了無法承受的程度。而且線路接頭的增加引起安全隱患。另外線的重量和占用空間也是值得考慮的問題，重量的增加意味著降低效率。線路體積（直徑）太大在相對運(yùn)動(dòng)的部分之間過線非常困難，所以在電子裝置不斷增加的情況下，減少線束成為一個(gè)必須解決的問題，而使用傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)平行連接方式顯然無法擺脫這種困境，因而基于串行通信傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為一種必然的選擇。基于汽車底盤的電子化技術(shù)、線控技術(shù)的應(yīng)用、汽車底盤的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)成為必然。如何建立局域網(wǎng)將汽車底盤的各種電子設(shè)備的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、ECU的數(shù)據(jù)和信息通過一個(gè)總的ECU進(jìn)行集中控制成為急需解決的問題。

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