驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母擰緊研究

陳桂釗，胡林峰

廣汽埃安新能源汽車(chē)有限公司，廣東廣州 511441

0 引言

驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母作為整車(chē)中最重要的緊固件之一，可將驅(qū)動(dòng)軸與輪轂軸承有效連接，以確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力能正確傳遞、輸出，車(chē)輛能夠正常行駛。驅(qū)動(dòng)軸兩端與配合件（差速器、輪轂軸承）連接，通過(guò)擰緊驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母，將輪轂軸承壓入驅(qū)動(dòng)軸以完成裝配。然而，在實(shí)際擰緊驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母的過(guò)程中可能存在以下問(wèn)題：①驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)扭矩，但是輪轂軸承仍未完全壓入驅(qū)動(dòng)軸，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)軸與輪轂軸承不貼合，軸向仍存在間隙；②驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母在擰緊過(guò)程中，螺紋滑牙。這兩個(gè)問(wèn)題都會(huì)對(duì)整車(chē)品質(zhì)造成嚴(yán)重影響，如容易造成后期驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母脫出，從而使驅(qū)動(dòng)軸與輪轂軸承分離，以至于車(chē)輛失去動(dòng)力。

本文對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，并通過(guò)優(yōu)化擰緊策略，增加正轉(zhuǎn)角度監(jiān)控及反轉(zhuǎn)扭矩監(jiān)控，對(duì)驅(qū)動(dòng)軸與輪轂軸承裝配不貼合、螺紋滑牙的異常情況實(shí)施監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部異常的及時(shí)識(shí)別，防止不良流出。

1 輪轂與驅(qū)動(dòng)軸裝配分析

驅(qū)動(dòng)軸兩端多采用花鍵與配合件連接，為減少車(chē)輛起步時(shí)大扭矩引發(fā)的輪轂軸承與驅(qū)動(dòng)軸花鍵之間竄動(dòng)而導(dǎo)致的異音，驅(qū)動(dòng)軸花鍵通常設(shè)置一定角度的螺旋角[1-3]。在驅(qū)動(dòng)軸與輪轂軸承裝配過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)軸的螺旋外花鍵與輪轂軸承的直齒內(nèi)花鍵形成過(guò)盈配合，可有效地提升整車(chē)NVH性能。

零件設(shè)計(jì)或制造的精度波動(dòng),如輪轂軸承花鍵螺旋角增大、驅(qū)動(dòng)軸花鍵跨棒距增大等，都會(huì)導(dǎo)致過(guò)盈量隨之增大。因此，只有更大的軸向力F才能將輪轂軸承完全壓入驅(qū)動(dòng)軸。而螺紋滑牙也會(huì)導(dǎo)致扭矩大部分消耗在螺紋配合的摩擦上，轉(zhuǎn)化成軸力的部分相應(yīng)減少，如此更是增加了驅(qū)動(dòng)軸與輪轂不貼合的風(fēng)險(xiǎn)。驅(qū)動(dòng)軸螺母裝配截面如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)軸螺母裝配截面

在擰緊驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母時(shí)產(chǎn)生軸力可將輪轂軸承壓入驅(qū)動(dòng)軸[4]:

式中，K為扭矩系數(shù)；Ff為預(yù)緊力；d為驅(qū)動(dòng)軸螺紋公稱(chēng)直徑；P為驅(qū)動(dòng)軸螺紋螺距；us為螺紋摩擦系數(shù)；d2為螺紋中徑；α'為螺紋牙側(cè)角；uw為輪轂軸承支承面摩擦系數(shù)；Dw為支承面摩擦扭矩的等效直徑。

當(dāng)擰緊螺母產(chǎn)生的軸力Ff＜F時(shí)，螺母將無(wú)法把輪轂軸承與驅(qū)動(dòng)軸壓貼合。

2 擰緊滑牙探析

某車(chē)型在試制時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸螺母目標(biāo)扭矩為360 N·m，在擰緊過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)螺紋滑牙，如圖2所示，或是擰緊達(dá)到360 N·m時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸柄部穿出螺母長(zhǎng)度不足（驅(qū)動(dòng)軸與輪轂不貼合）。但校核螺紋承受應(yīng)力、排查螺紋質(zhì)量狀態(tài)、內(nèi)外螺紋嚙合狀態(tài)等一系列設(shè)計(jì)、制造指標(biāo)，結(jié)果均滿足要求。

圖2 滑牙示意

使用擰緊設(shè)備進(jìn)行擰緊測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)貼合扭矩＜70 N·m時(shí)或貼合扭矩＞70 N·m但以＞70 N·m持續(xù)擰緊至貼合時(shí)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)在0.5圈以?xún)?nèi)時(shí)，沒(méi)有發(fā)生滑牙；當(dāng)貼合扭矩＞70 N·m且以＞70 N·m持續(xù)擰緊至貼合時(shí)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)超過(guò)0.5圈時(shí)，容易產(chǎn)生滑牙，并且在高扭矩狀態(tài)下，持續(xù)旋入的圈數(shù)越大，螺牙磨損越嚴(yán)重。擰緊測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 擰緊測(cè)試結(jié)果

結(jié)合以上擰緊實(shí)驗(yàn)以及對(duì)比其他車(chē)型發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)軸花鍵螺旋角度越小，螺母將輪轂與驅(qū)動(dòng)軸拉貼合的扭矩也越小，擰緊過(guò)程中不會(huì)發(fā)生滑牙。而驅(qū)動(dòng)軸花鍵螺旋角越大，花鍵配合過(guò)盈量也越大，螺母將輪轂與驅(qū)動(dòng)軸拉貼合的扭矩也隨之變大，旋進(jìn)過(guò)程中將承受巨大的摩擦載荷。隨著螺母繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦行程增加，磨損加劇及產(chǎn)生大量熱量，破壞螺紋表面平整度，最終導(dǎo)致螺紋無(wú)法正常嚙合甚至燒結(jié)黏合，并且當(dāng)貼合扭矩＞70 N·m時(shí)，更容易出現(xiàn)滑牙問(wèn)題。因此，本研究對(duì)驅(qū)動(dòng)軸花鍵尺寸重新優(yōu)化、加嚴(yán)管控，減少花鍵配合過(guò)盈量，將貼合扭矩降低至＜50 N·m，成功地將車(chē)輛試制階段將問(wèn)題解決，擰緊滑牙率從25%降低至0。

除了降低花鍵配合過(guò)盈量來(lái)減少滑牙的方法外，徐亮等[5]在裝配工藝上也做了改進(jìn)。他們通過(guò)增加拉拔工裝，先將驅(qū)動(dòng)軸與輪轂軸承拉拔貼合后，再進(jìn)行驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母擰緊，由于此時(shí)螺母旋進(jìn)處于自由狀態(tài)，無(wú)需承受推壓輪轂軸承而帶來(lái)的巨大摩擦載荷，最終也得以實(shí)現(xiàn)正常裝配，解決滑牙問(wèn)題。

3 擰緊監(jiān)控

在解析驅(qū)動(dòng)軸螺母擰緊的過(guò)程中，通過(guò)多次研究、優(yōu)化擰緊策略來(lái)解決問(wèn)題及識(shí)別后續(xù)異常發(fā)生時(shí)的報(bào)警。安裝驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母所使用的工具為Atlas擰緊槍?zhuān)吞?hào)為ETP ST101-750-25。擰緊槍配置有扭矩傳感器及角度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集螺母擰緊時(shí)的扭矩及角度數(shù)據(jù)，為實(shí)施多樣化的監(jiān)控策略提供了基礎(chǔ)。

3.1 一次優(yōu)化——增加正轉(zhuǎn)角度監(jiān)控

在實(shí)際作業(yè)中，使用傳統(tǒng)的扭矩法實(shí)施驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母擰緊，并按照扭矩限值進(jìn)行監(jiān)控，無(wú)法發(fā)現(xiàn)輪轂軸承與驅(qū)動(dòng)軸不貼合和螺紋滑牙異常。

圖3為螺母異常、正常擰緊時(shí)的扭矩-角度曲線。在使用擰緊槍緊固前，作業(yè)人員先把輪轂軸承穿入驅(qū)動(dòng)軸并推壓至人手推不動(dòng)的狀態(tài)，然后將螺母預(yù)擰至貼住輪轂軸承，所以開(kāi)始用擰緊槍擰緊時(shí)，扭矩很快就達(dá)到25 N·m（圖3中a點(diǎn)），a-b段為螺母持續(xù)旋轉(zhuǎn)將輪轂壓入驅(qū)動(dòng)軸的過(guò)程；b點(diǎn)表示輪轂軸承與驅(qū)動(dòng)軸貼合，此時(shí)驅(qū)動(dòng)軸、輪轂軸承、螺母三者形成剛性連接，扭矩將隨著螺母旋進(jìn)角度的增加極速上升，即扭矩/角度曲線斜率陡然增大，且在旋進(jìn)50°內(nèi)就能達(dá)到目標(biāo)扭矩360 N·m；當(dāng)輪轂軸承與驅(qū)動(dòng)軸未貼合時(shí)，斜率增加緩慢甚至不變，遠(yuǎn)小于正常擰緊曲線斜率。

圖3 螺母異常、正常擰緊時(shí)的扭矩-角度曲線

當(dāng)螺紋螺牙時(shí)，損壞后的螺紋無(wú)法正常嚙合并建立正確的摩擦系統(tǒng)，會(huì)影響工具擰緊至目標(biāo)扭矩，進(jìn)而也會(huì)增大螺母的旋轉(zhuǎn)角度，扭矩-角度曲線斜率也會(huì)比正常曲線斜率偏小。

基于螺母異常與正常擰緊時(shí)的扭矩-角度曲線的特征，可對(duì)擰緊過(guò)程增加角度監(jiān)控以識(shí)別異常，并以50%目標(biāo)扭矩～100%目標(biāo)扭矩作為角度采集區(qū)間，采集n組有效數(shù)據(jù)。

角度均值：

標(biāo)準(zhǔn)差σ：

角度監(jiān)控上限H：

角度監(jiān)控下限L：

式中，n取100；xi表示第i組角度數(shù)據(jù)。

分別將H和L設(shè)置為螺母擰緊50%目標(biāo)扭矩～100%目標(biāo)扭矩之間轉(zhuǎn)動(dòng)角度的上下限，進(jìn)行擰緊過(guò)程監(jiān)控。增加角度監(jiān)控后的擰緊策略（目標(biāo)扭矩360N·m）見(jiàn)表2。

表2 一次優(yōu)化擰緊策略

通過(guò)增加角度監(jiān)控可100%檢出螺母扭矩達(dá)標(biāo)而輪轂軸承與驅(qū)動(dòng)軸不貼合的異常問(wèn)題，但是對(duì)螺紋滑牙的檢出率僅有90%～95%的概率，存在小部分無(wú)法檢出的情況。

3.2 二次優(yōu)化——增加反轉(zhuǎn)扭矩監(jiān)控

當(dāng)螺紋滑牙嚴(yán)重時(shí)，螺牙嚙合異常，除了對(duì)整車(chē)品質(zhì)造成影響，還會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母無(wú)法拆卸，需要更換整個(gè)驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向節(jié)總成。這不僅浪費(fèi)零件成本，線上返修還會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)可動(dòng)率。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)螺紋滑牙的100%識(shí)別，并及時(shí)報(bào)警、終止擰緊，繼續(xù)對(duì)擰緊策略進(jìn)行優(yōu)化。二次優(yōu)化擰緊策略見(jiàn)表3。

表3 二次優(yōu)化擰緊策略

圖4為二次優(yōu)化后螺母異常、正常擰緊時(shí)的扭矩-角度曲線。由于輪轂軸承、驅(qū)動(dòng)軸剛性高，該連接結(jié)構(gòu)屬于硬連接。為了提升擰緊效率，第一步擰緊速度設(shè)定為90 rpm，雖扭矩設(shè)定擰緊至100 N·m，但仍會(huì)稍微過(guò)沖至170 N·m左右，屬于正常現(xiàn)象，對(duì)最終品質(zhì)保證不影響。曲線中a1、a2兩點(diǎn)分別為異常、正常擰緊過(guò)程中的第三步擰緊起點(diǎn)，即實(shí)施90°反轉(zhuǎn)，將螺母擰松以卸除扭矩，為后面檢查螺紋狀態(tài)做準(zhǔn)備；b1-c1段、b2-c2段分別為異常、正常擰緊過(guò)程中的第四步，即實(shí)施90°反轉(zhuǎn)檢查螺紋狀態(tài)，當(dāng)螺紋嚙合正常時(shí)，螺母擰松后，扭矩會(huì)變得較小甚至趨于零，如b2-c2段的扭矩僅剩4 N·m；當(dāng)螺紋滑牙時(shí)，螺紋損壞無(wú)法正常嚙合，驅(qū)動(dòng)軸與螺母螺紋相互剪切而殘余較大扭矩，如b1-c1段的扭矩仍殘余25 N·m，超過(guò)擰緊策略反轉(zhuǎn)扭矩監(jiān)控限值10 N·m會(huì)觸發(fā)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)滑牙的100%識(shí)別。

圖4 二次優(yōu)化后螺母異常、正常擰緊時(shí)的扭矩-角度曲線

4 結(jié)論

本文從驅(qū)動(dòng)軸鎖緊螺母擰緊的異?，F(xiàn)狀出發(fā)，得出了裝配過(guò)程中驅(qū)動(dòng)軸與輪轂軸承不貼合及擰緊螺紋滑牙是由驅(qū)動(dòng)軸螺旋花鍵與輪轂軸承直齒花鍵過(guò)盈配合過(guò)度導(dǎo)致的，通過(guò)控制過(guò)盈量可有效解決問(wèn)題。同時(shí)對(duì)擰緊策略做了探索，通過(guò)增加正轉(zhuǎn)角度監(jiān)控及兩次反轉(zhuǎn)實(shí)施的扭矩監(jiān)控對(duì)擰緊異常進(jìn)行100%的有效監(jiān)控。該擰緊策略的研究邏輯同樣可延伸至整車(chē)其他重點(diǎn)部位的擰緊以作參考。