汽車底盤擰緊力矩的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

姚志剛

摘要： 螺紋連接是一種廣泛應(yīng)用的可拆卸的固定連接，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接可靠、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)，也是汽車底盤中最為常見的連接方式之一。目前設(shè)計(jì)螺紋連接擰緊力矩的公式多采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，有一定的局限性。如依據(jù)實(shí)際螺紋副系數(shù)建立擰緊力矩的設(shè)計(jì)方法，則能有效提高理論計(jì)算精度，并可以將此方法適用于解決汽車底盤螺紋連接力矩衰減的問題。

Abstract： Threaded connection is a kind of widely used removable fixed connection， which has the advantages of simple structure， reliable connection， convenient assembly and disassembly， and is also one of the most common connection methods in automobile chassis. At present， empirical coefficient is often used to design the tightening torque of threaded connection， which has some limitations. If the design method of tightening torque is established based on the actual screw pair coefficient， the theoretical calculation accuracy can be effectively improved， and this method can be applied to solve the problem of torque attenuation of automobile chassis thread connection.

關(guān)鍵詞： 螺紋;擰緊力矩;力矩衰減

Key words： screw thread;tightening torque;torque attenuation

中圖分類號(hào)：U467.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0013-03

0? 引言

螺紋連接是目前汽車底盤中應(yīng)用最為廣泛的可拆式連接方式之一，為確保螺紋連接體的可靠，并使其能正常實(shí)現(xiàn)使用功能，必須保證螺紋連接達(dá)到初始的預(yù)緊力，而預(yù)緊力的大小則是直接由擰緊力矩或回轉(zhuǎn)角度來決定。目前汽車底盤中常用的力矩?cái)Q緊方法有扭矩法和轉(zhuǎn)角法，轉(zhuǎn)角法是將螺栓與螺母的相對(duì)回轉(zhuǎn)角度作為指標(biāo)進(jìn)行初始預(yù)緊力的控制方法，多半是塑性區(qū)的緊固，因塑性區(qū)回轉(zhuǎn)角度誤差對(duì)預(yù)緊力的離散度影響較小，所以此方法能實(shí)現(xiàn)較高精度預(yù)緊力的緊固，但由于螺紋及螺栓桿部發(fā)生了塑性變形，所以緊固件的重復(fù)使用次數(shù)一般限定在3次以內(nèi)，且裝配中需要使用成本較高的轉(zhuǎn)角力矩設(shè)備。所以目前普遍應(yīng)用的力矩?cái)Q緊方法還是扭矩法，故本文主要討論按扭矩法正向設(shè)計(jì)擰緊力矩的方法及實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)此方法也適用于超彈性裝配及塑性區(qū)的扭矩設(shè)計(jì)。

1? 扭矩設(shè)計(jì)步驟

扭矩法是利用力矩值與預(yù)緊力的線性關(guān)系進(jìn)行控制的方法，擰緊時(shí)，由于緊固力矩90%左右被螺紋和螺栓支承面的摩擦力矩所消耗，所以初始預(yù)緊力的離散度受摩擦力矩的離散度影響較大。扭矩的設(shè)計(jì)流程見圖1。

摩擦力矩的離散度是由螺紋及支承面之間摩擦系數(shù)的離散度決定，為使計(jì)算準(zhǔn)確，螺紋及支承面之間的摩擦系數(shù)必須實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)支承面之間的摩擦系數(shù)uw，螺紋副摩擦系數(shù)us，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)至少20組。

1.1 統(tǒng)計(jì)出樣本最小摩擦系數(shù)usmin、uwmin及最大摩擦系數(shù)usmax、uwmax

1.2 實(shí)測(cè)或多體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算連接位置的徑向X、Y方向的最大受力Fx、Fy及軸向Z方向的最大受力Fz

1.3 計(jì)算當(dāng)下選用的緊固件可承受的最大預(yù)緊力F

彈性裝配：F=（0.8～0.9）×Fp（6）

塑性區(qū)超彈性裝配：F=σy×As（7）

式中，F(xiàn)p為緊固件的保證載荷（N）;σy為緊固件材料的屈服應(yīng)力（MPa）;As為螺紋公稱應(yīng)力截面積（mm2），As的計(jì)算公式如下：

式中，d為緊固件公稱直徑（mm）;α′為螺紋牙側(cè)角，一般為30°。

1.4 以最小摩擦系數(shù)usmin、uwmin計(jì)算其可承受的最大擰緊力矩Mmax

彈性裝配：Mmax=Kmin×F×d/1000（9）

塑性區(qū)超彈性裝配：

式中，d為緊固件公稱直徑（mm）;P為緊固件螺距（mm）;dA為螺紋公稱應(yīng)力截面積的等效直徑（mm），dA的計(jì)算公式為：

最小扭矩系數(shù)Kmin的計(jì)算公式如下：

式中，d2為螺紋中徑（mm），d2=d-3/8×P×cotα′;DW為支承面摩擦扭矩的等效直徑（mm），;dw為支承面接觸面外徑（mm）;dh為支承面接觸面內(nèi)徑（mm）。

1.5 以最大擰緊力矩Mmax計(jì)算連接位置支承面的最小摩擦力fmin

fmin的計(jì)算公式如下：

1.6 計(jì)算緊固可靠時(shí)支承面所需的最大摩擦力f′

f′為實(shí)測(cè)或仿真計(jì)算求得的最大徑向力Fx、Fy的合力，即：

1.7 計(jì)算軸向所需最小預(yù)緊力Fmin

2? 結(jié)果及應(yīng)用

根據(jù)上述方法對(duì)某車型在比利時(shí)路面強(qiáng)化測(cè)試中出現(xiàn)的底盤力矩衰減問題進(jìn)行了分析。

2.1 試驗(yàn)中底盤力矩衰減問題

從表1中可以看出，底盤部分位置出現(xiàn)了較大的力矩衰減，這也直接導(dǎo)致了接下來的底盤異響問題。最大的衰減率達(dá)到了20%。

2.2 分析緊固位置的摩擦系數(shù)

按實(shí)際的裝配情況試驗(yàn)測(cè)試支撐面及螺紋摩擦系數(shù)，各測(cè)得20個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)見表2。

按公式（1）～（4）可計(jì)算得到支承面及螺紋摩擦系數(shù)的最大值、最小值：

2.3 計(jì)算扭矩

因?yàn)榇藢?shí)例中無法準(zhǔn)確獲得各緊固位置實(shí)際工況中最大的受力情況，故通過對(duì)標(biāo)同級(jí)別車輛緊固件的使用情況，即大多采用M12*1.25 10.9級(jí)螺栓，與此車型選用的螺栓規(guī)格及機(jī)械性能等級(jí)相同，故假定此車型螺栓選型合理，則通過計(jì)算將螺栓的緊固效能發(fā)揮到最大，即按螺栓可承受的最大力矩去實(shí)施驗(yàn)證防松效果。

根據(jù)力矩的衰減程度及裝配位置的關(guān)鍵性，確定扭矩法是采用彈性裝配還是非彈性裝配，對(duì)于非彈性裝配位置，緊固件可重復(fù)使用次數(shù)必須限定在3次以內(nèi)。按公式（9）或公式（10）計(jì)算緊固件發(fā)揮最大效能時(shí)的緊固力矩，調(diào)整后力矩見表3。

2.4 裝配位置壓潰力試驗(yàn)核算

圖2為汽車底盤常用的襯套裝配結(jié)構(gòu)示意圖，襯套總成包含襯套內(nèi)套管、襯套橡膠體、襯套外套管，襯套總成靠螺栓裝配于開檔支架中，所以在此實(shí)例中，當(dāng)擰緊力矩增加，襯套內(nèi)套管上的軸向預(yù)緊力相應(yīng)增加，為保證增加的預(yù)緊力不致于使襯套內(nèi)套管被壓潰，需進(jìn)行壓潰力試驗(yàn)進(jìn)行核算。

壓潰力試驗(yàn)即是按公式（6）或公式（7）所計(jì)算的最大預(yù)緊力F對(duì)襯套內(nèi)套管進(jìn)行軸向力加載試驗(yàn)，試驗(yàn)前需測(cè)得襯測(cè)套管的高度值L，然后緩慢加載，至1/2F處時(shí)讀取套管的壓縮量S1，繼續(xù)加載力至F，然后保壓10秒，隨后卸載力，在卸載至1/2F處時(shí)讀取襯套內(nèi)套管的壓縮量S2，被壓潰率即為：（S2-S1）/L，一般要求≤0.4%。當(dāng)結(jié)果值>0.4%時(shí)，可考慮增加套管壁厚來提高套管的抗壓潰能力。表4中后減襯套3#樣品的壓潰率為0.41%，不滿足要求，所以在提高預(yù)緊力的同時(shí)，需將套管壁厚同時(shí)增加，否則會(huì)因套管永久變形量增加，反倒使力矩衰減更快。

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

按調(diào)整后的力矩值重新緊固，對(duì)于左右對(duì)稱的緊固位置，左側(cè)實(shí)施定義力矩名義值，右側(cè)實(shí)施定義力矩下限值，以判定實(shí)際力矩在下限值時(shí)，是否會(huì)影響到緊固效果。對(duì)于非左右對(duì)稱的緊固位置，則按定義力矩名義值來緊固。表5為各緊固位置試驗(yàn)驗(yàn)證前的實(shí)施力矩及300km比利時(shí)路面強(qiáng)化試驗(yàn)后的實(shí)測(cè)力矩值。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，力矩調(diào)整后的改善效果明顯，出現(xiàn)力矩衰減的位置數(shù)量明顯減少，且最大的衰減率也是在5%以內(nèi)，結(jié)果可接受。

3? 結(jié)束語

目前的很多文獻(xiàn)中介紹的計(jì)算力矩的方法往往是以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算，其與實(shí)際情況的吻合度會(huì)存在一定的誤差。本文通過討論以實(shí)際的摩擦系數(shù)、實(shí)際的緊固位置節(jié)點(diǎn)力來計(jì)算螺栓擰緊力矩的理論方法，具有一定的參考意義。同時(shí)對(duì)于受限于仿真經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)條件而無法準(zhǔn)確獲得緊固位置節(jié)點(diǎn)力的情況，可通過發(fā)揮緊固螺栓的最大效能來驗(yàn)證緊固力矩的合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]張振華.螺栓擰緊力矩的確定方法及相關(guān)討論[J].化學(xué)工程與裝備，2009.

[3]GB/T 16823.2-1997，螺紋緊固件緊固通則[S].國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，1997.