楊銀輝
(陜西重型汽車有限公司,陜西 西安 710200)
V型推力桿緊固螺栓斷裂、松動(dòng)問題分析與改進(jìn)
楊銀輝
(陜西重型汽車有限公司,陜西 西安 710200)
以某公司6×4牽引車后懸架V型推力桿V端螺栓斷裂、松動(dòng)問題為研究對(duì)象,通過分析驅(qū)動(dòng)工況、制動(dòng)工況時(shí)V型推力桿的最大受力情況,校核了推力桿螺栓的強(qiáng)度,結(jié)果顯示是由于原V型推力桿緊固螺栓強(qiáng)度不足導(dǎo)致螺栓斷裂,并結(jié)合厚墊圈防松原理,確定改進(jìn)方案,即將V型推力桿緊固螺栓由M20改為M22,在鑄造橫梁與V型推力桿緊固處增加45mm厚墊圈后,解決了螺栓斷裂、松動(dòng)問題,該方案經(jīng)過用戶實(shí)際使用和10000km的綜合道路試驗(yàn)驗(yàn)證,改善效果較好,減少了用戶抱怨和經(jīng)濟(jì)損失。
螺栓斷裂;螺栓松動(dòng)V型推力桿;受力分析;強(qiáng)度校核
CLC NO.:U463.21 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-101-03
V型推力桿主要應(yīng)用在非獨(dú)立懸架的單橋或雙后橋重型汽車上,連接著車架與車橋,其目的主要是為了克服鋼板彈簧只能傳遞垂直力和側(cè)向力而不能傳遞牽引力、制動(dòng)力及其相應(yīng)的反作用力矩;作為汽車懸架系統(tǒng)的重要組成部分,通常設(shè)置在載重汽車中、后橋上:其一端與車架鉸接,另一端則與中、后橋相鉸接:其作用主要是傳遞縱向力及其力矩和橫向力及其力矩,如牽引力,制動(dòng)力及汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力等,V型推力桿的安裝通過螺栓組與車架聯(lián)接,螺栓緊固一旦失效、松動(dòng)就會(huì)影響到車輛的安全性能,本文針對(duì)某6×4牽引車后懸架V型推力桿V端螺栓斷裂、松動(dòng)問題,從設(shè)計(jì)理論角度對(duì)失效原因進(jìn)行分析,最終通過設(shè)計(jì)優(yōu)化解決該問題。后懸架結(jié)構(gòu)及失效螺栓安裝如圖1所示。
螺栓失效與零部件加工尺寸、表面光潔度、表面處理、螺栓的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否合理均有關(guān)。失效后的螺栓如圖2所示。本文主要從設(shè)計(jì)角度對(duì)連接螺栓強(qiáng)度進(jìn)行了校核分析。
1.1 參數(shù)輸入
表1 某6×4牽引車相關(guān)參數(shù)
1.2 V型推力桿受力分析
推力桿承受縱向力的頻次(驅(qū)動(dòng)、制動(dòng))比承受側(cè)向力的頻次(轉(zhuǎn)彎、橫坡)要多,以下分別在最大驅(qū)動(dòng)工況和最強(qiáng)制動(dòng)工況對(duì)V型推力桿進(jìn)行了縱向的受力分析。為簡(jiǎn)化模型,不考慮推力桿的傾斜角度,推力桿受力模型如圖3所示。
1.3 最大驅(qū)動(dòng)工況
在最大驅(qū)動(dòng)工況時(shí),V型推力桿(同上推力桿)受力與車輛行駛方向相反,下推力桿受力向前,輪胎與地面的摩擦力向后。最大驅(qū)動(dòng)工況時(shí)的驅(qū)動(dòng)力可參照該車的發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩、變速器一檔速比、后橋速比、路面覆著系數(shù)及傳遞效率進(jìn)行計(jì)算得出:
參照?qǐng)D 3,再根據(jù)力矩平衡原理,驅(qū)動(dòng)橋上下推力桿的力矩應(yīng)為平衡狀態(tài)。
式中,A=389mm,B=175.5mm,將以上數(shù)據(jù)及表1數(shù)據(jù)代入公式可得最大驅(qū)動(dòng)工況時(shí)上推力桿所受最大力 FA= 89.8kN。
1.4 最強(qiáng)制動(dòng)工況
在緊急制動(dòng)時(shí),制動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)橋中心作用較大制動(dòng)力矩M,保證驅(qū)動(dòng)橋輪胎抱死,增加該制動(dòng)力矩后,使得上推力桿受力向前,下推力桿受力向前,輪胎與地面摩擦力向后。上下推力桿受力形成的力矩與橋中心形成的力矩平衡,可得:
結(jié)合表1數(shù)據(jù),可得在22t最強(qiáng)制動(dòng)工況下,上推力桿所受最大力為FA=36.3kN。
1.5 V型推力桿受力分解
經(jīng)以上分析,最大驅(qū)動(dòng)工況時(shí)上推力桿(即V型推力桿)受力最大為89.8kN,后續(xù)將按照此校核V端螺栓強(qiáng)度。參照二力桿作用原理,將V型推力桿可看成2個(gè)二力桿件組成,縱向力在兩個(gè)V端受力分解如圖4所示。桿向最大力R即為V型推力桿V端與鑄造橫梁連接螺栓受力大小。
其中θ=55.3°,F(xiàn)1=FA=89.8kN,將數(shù)據(jù)代入以上公式,可得V型推力桿一端處螺栓受力大小R=50.7kN。
1.6 V型推力桿緊固螺栓受力分析
V型推力桿與鑄造橫梁部位采用2條M20×2的螺栓,螺栓材料 40Cr,性能等級(jí) 10.9級(jí),其σb=1000Mpa,σs=900Mpa,該螺栓其他相應(yīng)參數(shù)如下表2:
表2 M20×2螺栓相關(guān)參數(shù)
擰緊力矩公式T=kFd,式中k為扭矩系數(shù);F為預(yù)緊力,kN;d為螺紋公稱直徑,mm。
可得預(yù)緊力大小為F=T/kd=560/(0.22×20)=127kN。
1.7 改進(jìn)方案
(a)增大螺栓規(guī)格,將2條M20×2螺栓更改為2條M22×2,其螺栓參數(shù)如下表3:
表3 M22×2螺栓相關(guān)參數(shù)
可得M22螺栓桿應(yīng)力為 < ,螺栓強(qiáng)度滿足要求。
(b)由于該處螺栓主要承受軸向力,增加厚墊圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行防松對(duì)螺栓松動(dòng)改善較大,厚墊圈結(jié)構(gòu)因螺栓貫穿推力桿球頭和厚墊圈,比普通結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度加長(zhǎng),剛度減小,裝配時(shí)需多擰轉(zhuǎn)螺紋副,產(chǎn)生足夠的彈性變形量,消耗更多的螺栓變形能,預(yù)緊力才會(huì)與普通結(jié)構(gòu)的預(yù)緊力相等。承載時(shí)外載荷就需要多做功,抵消全部的螺栓變形能,螺紋副才會(huì)松動(dòng)。雖然螺栓規(guī)格加大后,可解決螺栓斷裂問題,但不能完全解決螺栓松動(dòng)問題,為此,如圖5、圖6所示,在V型推力桿與鑄造橫梁連接處增加厚度45mm的墊圈后,相比原結(jié)構(gòu)螺栓加長(zhǎng) 45mm,剛度減小,使得擰緊時(shí)需要消耗更多的功,起到了防松作用。
本文通過分析驅(qū)動(dòng)工況、制動(dòng)工況時(shí)V型推力桿的最大受力情況,重新校核了推力桿螺栓的強(qiáng)度,結(jié)果是由于原V型推力桿緊固螺栓強(qiáng)度不足導(dǎo)致螺栓的斷裂,結(jié)合厚墊圈防松原理,確定改進(jìn)措施,即將 V型推力桿緊固螺栓由 M20改為M22,并在鑄造橫梁與V型推力桿緊固處增加45mm厚墊圈后,經(jīng)市場(chǎng)用戶使用和10000km綜合道路試驗(yàn)驗(yàn)證,未再出現(xiàn)螺栓頻繁松動(dòng)、斷裂問題。
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Analysis and Improvement of Fastening Bolts Broken and Loose for V-Type Thrust Rod
Yang Yinhui
(Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200)
After a company with 6 × 4 tractor suspension v thrust rod end bolt fracture, loosening problems for the study, by analyzing the driving conditions, the maximum braking force when the case condition v-type thrust lever, check the thrust rod bolt strength, the results showed that since the original v-type thrust rod bolts fastening bolt break due to insufficient strength, combined with thick gasket locking principle, to determine the improvement program, the upcoming v-type thrust rod fastening bolts from M20 to M22, after casting the beams and v-type thrust rod fastened at increased 45mm thick washer solve bolt break and loose problems,users actually through the practical use verification of user and a comprehensive 10000km road test, get a good improvement effect, reducing the user complaints and the economic losses.
bolt fracture; bolt losse; v-type thrust rod; stress analysis; strength verification
U463.2
A
1671-7988(2015)05-101-03
楊銀輝,碩士研究生,主要從事商用車底盤懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì),就職于陜西重型汽車有限公司。