面向結(jié)合面密封性的螺栓組擰緊工藝優(yōu)化研究

何文杰　周康渠　謝茂士

摘? 要：為了改善變速器殼體結(jié)合面密封性差的問(wèn)題，同時(shí)提高變速器總成的可靠性，文章針對(duì)J公司現(xiàn)有螺栓擰緊工藝進(jìn)行有限元仿真分析，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)螺栓殘余預(yù)緊力和密封墊片應(yīng)力分布是影響變速器殼體結(jié)合面密封性的主要因素。因此，該文通過(guò)有限元仿真和正交試驗(yàn)對(duì)螺栓擰緊工藝的擰緊扭矩大小、擰緊工藝參數(shù)以及擰緊方式進(jìn)行優(yōu)化研究，并針對(duì)研究模型提出一種面向不規(guī)則結(jié)合面的螺栓組擰緊方式，為有密封性要求的螺栓組連接裝配工藝設(shè)計(jì)提供新思路。

關(guān)鍵詞：變速器殼體；螺栓擰緊；密封性；工藝優(yōu)化；有限元分析

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）13-0167-05

Research on Tightening Process Optimization of Bolt Group for Joint Surface Sealing

HE Wenjie， ZHOU Kangqu， XIE Maoshi

（College of Mechnical Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing? 400054， China）

Abstract： In order to improve the poor sealing of the joint surface of the transmission housing and improve the reliability of the transmission assembly， this paper conducts finite element simulation analysis on the existing bolt tightening process of J Company. After analysis， it is found that the residual pre tightening force of the bolt and the stress distribution of the sealing gasket are the main factors affecting the sealing of the joint surface of the transmission housing. Therefore， this paper optimizes the tightening torque， tightening process parameters， and tightening methods of the bolt tightening process through finite element simulation and orthogonal experiments， and proposes a bolt group tightening method for irregular joint surfaces based on the research model， providing new ideas for the design of bolt group connection assembly process with sealing requirements.

Keywords： transmission housing; bolt tightening; sealing; process optimization; finite element analysis

0? 引? 言

變速器是用來(lái)改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)汽車的倒擋、空擋以及改變汽車的行駛速度，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)汽車傳動(dòng)性能及駕乘安全有著重要影響[1]。密封性是評(píng)價(jià)變速器裝配質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。螺栓組所連接變速器殼體的結(jié)合面密封性不僅受各零部件材料、結(jié)構(gòu)和加工精度等因素的影響，同時(shí)還與螺栓組的擰緊工藝緊密相關(guān)。為確保變速器裝配完成后能夠獲得均勻的螺栓殘余預(yù)緊力和應(yīng)力分布，對(duì)擰緊工藝的優(yōu)化提升進(jìn)行研究，這對(duì)提升變速器總成密封性至關(guān)重要。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并取得一定的成果。

張冬梅在研究差速器的螺栓連接結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，與單一扭矩控制法相比，采用扭矩—轉(zhuǎn)角法時(shí)所獲得的螺栓殘余預(yù)緊力的均勻性更好[2]。Wang等基于螺栓組連接的彈簧節(jié)點(diǎn)解析模型，研究了螺栓組擰緊順序?qū)S向預(yù)緊力衰減的影響[3]。李培林等建立了擰緊扭矩與被連接件剛度的解析模型，研究了螺栓組擰緊順序?qū)β菁y連接結(jié)合面形變及應(yīng)力的影響[4]。王曉斌等人研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高螺栓擰緊速度有利于提高螺栓殘余預(yù)緊力的均勻性[5]。陳成軍等建立了螺栓預(yù)緊力與結(jié)合面壓力之間的相關(guān)模型，采用該模型可以針對(duì)不同工況的產(chǎn)品密封性需求反向設(shè)計(jì)裝配工藝[6]。何聯(lián)格等利用有限元方法對(duì)螺栓裝配連接工藝進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明，順序擰緊的殘余預(yù)緊力標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于其他擰緊方式，且密封性最差的區(qū)域出現(xiàn)在兩個(gè)螺栓中間的位置[7]。

綜上，螺栓組彈性相互作用是螺栓殘余預(yù)緊力和密封墊片應(yīng)力分布不均勻的主要原因，但是進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，合理的螺栓擰緊工藝能夠有效降低螺栓組殘余預(yù)緊力和密封墊片應(yīng)力分布的離散程度。為此，本文以X型變速器為研究對(duì)象，通過(guò)有限元仿真軟件ANSYS Workbench和正交試驗(yàn)對(duì)公司現(xiàn)有螺栓擰緊工藝的優(yōu)化提升進(jìn)行研究，并針對(duì)X型變速器不規(guī)則結(jié)合面螺栓組連接結(jié)構(gòu)提出一種更優(yōu)的擰緊方式，為有密封性要求的螺栓組連接裝配工藝設(shè)計(jì)提供新思路。

1? 現(xiàn)有擰緊工藝有限元分析

1.1? 建立變速器有限元模型

變速器由變速器上下殼體、變速器軸系組、密封墊片以及18顆螺栓連接而成，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，不利于利用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析。因此，本文在不影響研究的前提下，對(duì)變速器部分幾何特征及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，利用SolidWorks和ANSYS Workbench建立變速器殼體螺栓連接有限元模型，如圖1所示。

1.2? 有限元仿真計(jì)算

變速器裝配完成后，密封墊片主要承受螺栓預(yù)緊力以及變速器上殼體重力。變速器上殼體材料為鋁合金，重量約為10 kg，同螺栓預(yù)緊力F相比可以忽略不計(jì)。但螺栓預(yù)緊力不便直接測(cè)量得到，一般是借助扭矩傳感器測(cè)量出擰緊扭矩，然后間接計(jì)算出螺栓預(yù)緊力，計(jì)算方法[8]如式（1）所示：

其中，F(xiàn)表示螺栓預(yù)緊力，T表示螺栓擰緊扭矩，d表示螺栓公稱直徑，k表示螺栓預(yù)緊系數(shù)，取0.18。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中所采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到F = 22.2 kN。

由18顆螺栓組成的螺栓組采用M8X55的12.9級(jí)螺栓，在仿真過(guò)程中按照如圖2所示的螺栓位置順序擰緊，在奇數(shù)載荷步施加目標(biāo)載荷，隨后鎖定螺栓的預(yù)緊截面位移，具體的螺栓預(yù)緊力加載狀態(tài)如表1所示。

1.3? 有限元計(jì)算結(jié)果分析

1.3.1? 螺栓組殘余預(yù)緊力分析

螺栓組的殘余預(yù)緊力大小和均勻性是評(píng)價(jià)變速器殼體結(jié)合面密封性的重要依據(jù)。利用ANSYS Workbench提取螺栓組最終的殘余預(yù)緊力，如圖3所示，螺栓組殘余預(yù)緊力多數(shù)為12 000～23 000 N，即殘余扭矩為17.3～33.1 N.m，不能滿足殘余扭矩大于等于80%擰緊扭矩的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，存在造成變速器殼體結(jié)合面密封質(zhì)量不合格的隱患。

1.3.2? 密封墊片應(yīng)力分析

密封墊片上應(yīng)力分布規(guī)律不僅會(huì)影響到墊片的使用壽命，應(yīng)力分布離散程度過(guò)大還會(huì)影響結(jié)合面的密封性。通過(guò)有限元仿真求解得到密封墊片應(yīng)力云圖，如圖4所示。

運(yùn)用Ansys Workbench提取不同工藝擰緊后墊片上螺栓孔周圍5 mm平均應(yīng)力值，如表2所示。

均值公式和樣本標(biāo)準(zhǔn)差公式如下：

由式（2）和式（3）可知，現(xiàn)有擰緊工藝對(duì)螺栓加載后，螺栓組周圍應(yīng)力平均值為24.41 MPa，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為7.62。其中，17號(hào)螺栓周圍應(yīng)力值超出平均值的106.15%，而15號(hào)螺栓周圍應(yīng)力值僅有18.76 MPa。仿真結(jié)果表明，現(xiàn)有擰緊工藝會(huì)造成變速器裝配完成后密封墊片上應(yīng)力值分布極為不均勻，從而影響變速器殼體的總成密封性。

2? 螺栓組擰緊工藝優(yōu)化

2.1? 螺栓組擰緊扭矩的校核

螺栓擰緊扭矩的大小會(huì)對(duì)結(jié)合面密封性造成一定的影響，適當(dāng)增加擰緊扭矩能夠補(bǔ)償螺栓組彈性相互作用帶來(lái)的扭矩衰減，但扭矩過(guò)大又容易壓壞密封墊片，導(dǎo)致變速器密封失效。因此，選擇科學(xué)合理的螺栓擰緊扭矩是擰緊工藝優(yōu)化的關(guān)鍵。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 518《汽車用螺紋緊固件緊固扭矩》中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算螺栓擰緊扭矩的范圍，如式（4）和式（5）所示：

其中，σs表示螺栓屈服強(qiáng)度，As表示螺紋部分有效面積，計(jì)算方法如式（6）所示：

其中，d3 = d1 - H/6，H = 0.866 P，d1表示螺紋小徑的基本尺寸。

根據(jù)企業(yè)選用的螺栓類型，螺栓的中徑d2為

7.188 mm，小徑d1為6.647 mm，螺距P為1.25 mm。

由式（4）～式（6）計(jì)算得到，螺栓擰緊扭矩范圍在28～42 N.m之間。然后利用ANSYS Workbench依次對(duì)計(jì)算所得螺栓擰緊扭矩范圍內(nèi)的各扭矩值進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算密封墊片上應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)確定最合適的擰緊扭矩，不同扭矩加載后密封墊片上螺栓孔周圍5 mm的平均應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示。

由圖5可以看出，隨著擰緊扭矩的不斷增加，密封墊片上的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差逐漸降低，擰緊扭矩在28～34 N.m之間時(shí)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差的降低趨勢(shì)比較明顯，擰緊扭矩升高到35 N.m以后，密封墊片上的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差趨于穩(wěn)定，幾乎不再發(fā)生變化。因此，可以通過(guò)適當(dāng)增加螺栓組擰緊扭矩的方式來(lái)提高變速器殼體結(jié)合面的密封性。

2.2? 基于DOE的擰緊程序優(yōu)化

高精度自動(dòng)化擰緊工具，能夠隨著接觸狀態(tài)的改變，通過(guò)設(shè)置擰緊程序的不同參數(shù)來(lái)保證輸出穩(wěn)定性高的目標(biāo)扭矩。通過(guò)DOE正交試驗(yàn)對(duì)螺栓擰緊工藝參數(shù)的旋入速度μ1、旋入扭矩T1、第一目標(biāo)扭矩T2、第一目標(biāo)轉(zhuǎn)速μ2、最終擰緊速度μ3五個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為每個(gè)試驗(yàn)因子設(shè)定3個(gè)水平，如表3所示。通過(guò)計(jì)算螺栓組殘余預(yù)緊力均值和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)確定螺栓擰緊工藝參數(shù)的最優(yōu)組合。

本文DOE正交試驗(yàn)有5個(gè)試驗(yàn)因子，每個(gè)試驗(yàn)因子有3個(gè)水平，因此，根據(jù)試驗(yàn)因子數(shù)和水平數(shù)，選用L27（35）正交試驗(yàn)表，如表4所示。試驗(yàn)表能夠從243組試驗(yàn)中挑選出27組試驗(yàn)來(lái)代替全部試驗(yàn)，不僅減少試驗(yàn)次數(shù)和耗材，還能夠使試驗(yàn)的擰緊程序參數(shù)具有均衡分散的特點(diǎn)，使得最后的擰緊程序具有代表性。

采用高精度自動(dòng)化擰緊設(shè)備擰緊螺栓后，借助殘余扭矩扳手測(cè)量螺栓組殘余，并計(jì)算殘余扭矩的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如表5所示。

根據(jù)27組正交試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)旋入速度為285 r/min，旋入扭矩為6 N.m，第一目標(biāo)扭矩為15 N.m，第一目標(biāo)轉(zhuǎn)速為55 r/min，最終擰緊速度為5 r/min時(shí)，變速器殼體螺栓組擰緊質(zhì)量效果較好，即能夠使變速器殼體結(jié)合面密封性更優(yōu)。

2.3? 變速器殼體螺栓組擰緊方式優(yōu)化

為了降低螺栓組擰緊后預(yù)緊力的分散程度，進(jìn)而改善變速器結(jié)合面的密封性，本文在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)X型變速器殼體特定的不規(guī)則結(jié)合面，對(duì)工業(yè)上常用的對(duì)角擰緊方式進(jìn)行改進(jìn)，提出一種改進(jìn)的螺栓組擰緊方式，即采用N+1十字?jǐn)Q緊方式對(duì)螺栓組進(jìn)行加載，在18顆螺栓均擰緊后，再繼續(xù)對(duì)第1顆螺栓進(jìn)行復(fù)擰，按如圖6所示依次擰緊。

利用ANSYS Workbench分別以順序擰緊方式和N+1十字?jǐn)Q緊方式對(duì)螺栓組進(jìn)行仿真計(jì)算求解，不同擰緊方式加載后密封墊片應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

運(yùn)用Ansys Workbench提取不同擰緊工藝擰緊后密封墊片上螺栓孔周圍5 mm的平均應(yīng)力值，如表6所示。

由標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算式（3）可知，采用順序擰緊、N+1十字?jǐn)Q緊兩種不同擰緊工藝擰緊后，密封墊片上的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.52、3.09，這說(shuō)明改進(jìn)的擰緊方式加載后應(yīng)力分布更加均勻，即采用針對(duì)不規(guī)則結(jié)合面的擰緊方式——N+1十字?jǐn)Q緊后變速器的密封性更優(yōu)。

3? 工藝優(yōu)化后的效果分析

利用ANSYS Workbench對(duì)優(yōu)化后的螺栓擰緊工藝進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并提取18顆螺栓殘余預(yù)緊力和密封墊片上螺栓孔周圍5 mm的平均應(yīng)力，結(jié)果如圖9、表7所示。

由圖9和表7可知，與現(xiàn)有螺栓擰緊工藝相比，優(yōu)化后的工藝螺栓組殘余預(yù)緊力明顯增大，離散程度較小，工藝優(yōu)化后密封墊片上的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差由7.62降為3.09，應(yīng)力分布更加均勻，結(jié)果表明此工藝優(yōu)化方案是可行與可靠的，能夠滿足變速器裝配密封性要求。

4? 結(jié)? 論

運(yùn)用ANSYS Workbench和DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)公司現(xiàn)有螺栓擰緊工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，優(yōu)化后的工藝為：

1）螺栓組的擰緊扭矩由32 N.m提升為35 N.m，用于補(bǔ)償扭矩衰減的影響。

2）高精度自動(dòng)擰緊設(shè)備擰緊工藝參數(shù)采用DOE正交試驗(yàn)，得到擰緊工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，即旋入速度為285 r/min，旋入扭矩為6 N.m，第一目標(biāo)扭矩為15 N.m，第一目標(biāo)轉(zhuǎn)速為55 r/min，最終擰緊速度為5 r/min。

3）螺栓組擰緊方式由現(xiàn)有工藝的順序擰緊改為N+1十字?jǐn)Q緊，從而降低擰緊后密封墊片上應(yīng)力的分散程度。

本文從擰緊扭矩的大小、螺栓組擰緊方式以及擰緊設(shè)備中擰緊程序的工藝參數(shù)等對(duì)變速器殼體螺栓組擰緊工藝進(jìn)行了優(yōu)化，大幅度提升了變速器殼體螺栓組的擰緊質(zhì)量和結(jié)合面密封性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張平.汽車變速箱復(fù)雜腔體零件差壓式泄漏測(cè)試系統(tǒng)研究 [D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2018.

[2] 張冬梅.某驅(qū)動(dòng)橋差速器連接螺栓擰緊工藝開(kāi)發(fā) [J].工程機(jī)械，2021，52（11）：85-90+12.

[3] WANG Y Q，WU J K，LIU H B，et al. Analysis of elastic interaction stiffness and its effect on bolt preloading [J].International Journal of Mechanical Sciences，2017，130：307-314.

[4] 李培林，王慶力，王崴，等.螺栓組擰緊順序?qū)Y(jié)構(gòu)體接觸剛度的影響研究 [J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014，489（11）：39-42.

[5] 王曉斌，蔣佳桉，陳平，等.擰緊轉(zhuǎn)速對(duì)螺栓聯(lián)接可靠性分析 [J].機(jī)電工程技術(shù)，2016，45（3）：101-104.

[6] 陳成軍，楊國(guó)慶，常東方，等.面向結(jié)合面密封性能要求的裝配連接工藝設(shè)計(jì) [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，46（3）：75-83.

[7] 何聯(lián)格，左正興，向建華.螺栓裝配連接工藝對(duì)氣缸密封的影響 [J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2014，32（6）：562-568.

[8] 濮良貴，陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)：第9版 [M].北京：高等教育出版社，2013.

作者簡(jiǎn)介：何文杰（1997—），男，漢族，重慶人，碩士研究生在讀，研究方向：精益智造；通訊作者：周康渠（1967—），女，漢族，四川達(dá)州人，教授，博士，研究方向：精益智造、智能制造和智能平臺(tái)等；謝茂士（1997—），男，漢族，重慶人，碩士研究生在讀，研究方向：工業(yè)機(jī)器人。

收稿日期：2023-03-03

基金項(xiàng)目：重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范重點(diǎn)示范項(xiàng)目（cstc2018jszx-cycdX0169）