30°楔形角螺紋在主齒凸緣螺母上應(yīng)用的研究

許克楊，陳 利，潘 毅

（合肥美橋汽車傳動及底盤系統(tǒng)有限公司，安徽合肥230000）

30°楔形角螺紋在主齒凸緣螺母上應(yīng)用的研究

許克楊，陳 利，潘 毅

（合肥美橋汽車傳動及底盤系統(tǒng)有限公司，安徽合肥230000）

介紹了30°楔形角螺紋在主齒凸緣螺母的應(yīng)用，利用其優(yōu)越的自鎖性能，研究其能否改善主齒凸緣螺母的松脫，以及在應(yīng)用中需注意的問題。

30°楔形角螺紋；自鎖；凸緣螺母；松脫

對于商用卡車而言，發(fā)動機(jī)前置，主減速器連接傳動軸與后橋，動力從發(fā)動機(jī)傳動主減速器，利用準(zhǔn)雙曲面齒輪來改變動力傳遞的方向，同時降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩，帶動半軸齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使得半軸、輪轂、輪胎轉(zhuǎn)動，降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩，驅(qū)動車輛行駛。

主齒凸緣螺母裝配在凸緣與主動齒輪上，一方面提供保證主動齒輪正常轉(zhuǎn)動的軸向力，另一方面為主齒軸承提供一定的軸承預(yù)緊力。凸緣螺母一旦松脫，主減速器會很快失效，導(dǎo)致車輛無法行駛。本文通過對30°楔形角螺紋的防松性能的研究來探討如何將其應(yīng)用到主齒凸緣螺母上，降低主齒凸緣螺母松脫的幾率。

1 主齒凸緣螺母松動原因

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)外螺紋配合中，外螺紋的牙頂和內(nèi)螺紋的牙根間存在橫向間隙，如圖1所示，在橫向振動或橫向力達(dá)到一定程度時，內(nèi)外螺紋間將產(chǎn)生相對的橫向移動，此微小的移動，會將螺紋副間的變形能釋放掉，即螺紋的彈性變形以及壓力變小，導(dǎo)致螺母松脫。在車輛前進(jìn)時，主動齒輪受到的軸向力方向與前進(jìn)方向一致，凸緣螺母與主齒螺紋接觸的位置的變形量有減少的趨勢，此時更容易松動。

圖1 橫向間隙示意圖

2 30°楔形角螺紋防松原理與受力分布

2.1 防松原理

30°楔形角內(nèi)螺紋的牙底處有一個30°的楔形面，在擰緊時，普通外螺紋的牙尖頂在楔形面上，如圖2所示。

圖2 30°楔形角螺紋與普通螺紋法向、徑向力對比

當(dāng)軸向力均為P時，

法向力：

普通螺紋F=1.15P

30°楔形角螺紋F=2P

徑向力：

普通螺紋F=P·tan30°=0.58P

30°楔形角螺紋F=P·tan60°=1.732P

由上可知，30°楔形角螺紋的法向、徑向力均大于普通螺紋的法向、徑向力，防松摩擦力大大增加，防松效果提高明顯。

2.2 受力分布

普通螺紋與30°楔形角螺紋受力分布如圖3與圖4所示。

圖3 普通螺紋受力分布

圖4 30°楔形角螺紋受力分布

由于普通螺紋在中徑處發(fā)生接觸并變形，截面較寬，難變形，所以前幾牙的受力較大，這也是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)前幾牙的螺紋磨損較嚴(yán)重的主要原因。而30°楔形角螺紋是牙頂接觸并變形，由于容易變形，所以受力均勻，因此螺紋的疲勞壽命較長。

3 裝配力矩的變化

3.1 裝配扭矩理論分析

以擰入為例，擰緊力矩等于螺紋副間的摩擦阻力矩和螺母環(huán)形端面與被連接件支撐面間的摩擦阻力矩之和。由于30°楔形角螺紋與普通螺紋相比只是改變了螺紋，所以現(xiàn)只對螺紋副間的摩擦阻力矩進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 擰入力矩受力模型

擰入力矩：T=Fa·tan(ψ+ρ′）°=Fa·tanψ +arctan（f/cosβ）

其中，F(xiàn)a為軸向力；ψ為螺紋升角；ρ＇為當(dāng)量摩擦角；f為摩擦系數(shù)；β為牙側(cè)角；d為螺紋副接觸處直徑。

由于30°楔形角螺紋牙側(cè)角β1=60°，普通螺紋牙側(cè)角β2=30°，所以＇＞＇，又因?yàn)?0°楔形角螺紋是配合外螺紋的牙頂接觸，普通螺紋是中徑接觸，

即相同軸向力時，30°楔形角螺紋的擰緊力矩比普通螺紋的擰緊力矩大。

同理，拆卸時，30°楔形角螺紋的拆卸力矩比普通螺紋的拆卸力矩大。

3.2 擰緊力矩實(shí)測

為了解30°楔形角螺紋與普通螺紋的裝配扭矩差別，用擰緊機(jī)進(jìn)行了擰緊力矩測試，在同樣大小的起動摩擦力矩時，裝配扭矩的數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 裝配扭矩

由上表數(shù)據(jù)得到，30°楔形角螺紋的螺母在使主齒軸承達(dá)到特定起動摩擦力矩時的擰緊力矩是普通螺紋擰緊力矩的1.1~1.3倍，與理論分析的較符合。

4 30°楔形角螺紋的防松性能試驗(yàn)

現(xiàn)選擇某型號主減速器，其主齒凸緣螺母采用30°楔形角螺紋，對其進(jìn)行楔形面角度檢測、螺母振動防松試驗(yàn)以及主減疲勞試驗(yàn)。

4.1 楔形面角度檢測

由于30°楔形角螺紋是依靠30°楔形面來實(shí)現(xiàn)自鎖的，所以用輪廓儀對角度進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 角度檢測

考慮到測量誤差以及鍍層的影響，上述的數(shù)值符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 螺母振動防松試驗(yàn)

按照GB/T10431-2008《緊固件橫向振動試驗(yàn)方法》以及表3的試驗(yàn)參數(shù)對凸緣螺母進(jìn)行試驗(yàn)。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4，軸力衰減小于設(shè)計(jì)要求的10%.

表4 試驗(yàn)結(jié)果

4.3 主減疲勞試驗(yàn)

由于30°楔形角螺紋是外螺紋牙頂與內(nèi)螺紋的楔形面配合，所以相配合的外螺紋的大徑尺寸對防松有較大影響，而普通螺栓配合時是中徑處接觸，不會考慮大徑的尺寸，現(xiàn)挑選一些大徑尺寸不同的外螺紋進(jìn)行主減裝配并試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 主減速器裝配

在對失效件進(jìn)行拆解分析時發(fā)現(xiàn)，疲勞壽命小于50萬次的4組主減，主齒與凸緣有明顯的松動，根據(jù)表5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到以下兩個結(jié)論：

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）配合外螺紋的外徑達(dá)不到6 g公差時，主減疲勞壽命滿足不了設(shè)計(jì)要求，與之前的理論分析一致；

（2）30°楔形角螺紋的防松效果比普通螺紋有明顯的提升。

此螺母還進(jìn)行了裝車道路試驗(yàn)。在3萬公里的試驗(yàn)場道路試驗(yàn)結(jié)束后，主齒螺母沒有任何松動。

5 結(jié)束語

通過這個優(yōu)化改善，主齒凸緣螺母的松脫得到了有效的解決，但同時由于靠外螺紋的牙頂在楔形面上的變形來提高自鎖性能，所以應(yīng)用時要注意以下兩點(diǎn)：

（1）為保證起動摩擦力矩達(dá)到設(shè)計(jì)值，裝配扭矩比普通螺紋大1.1~1.3倍；

（2）相配合外螺紋的外徑公差要滿足6 g或6 h的要求，同時螺紋不允許有脫碳層。

Research the App lication of30 Degree Wedge Angle of the Thread in the Flange Nut

XU Ke-yang，CHEN Li，PAN Yi
（Hefei AAM Automotive Driveline&Chassis System Co.，Ltd.，Hefei Anhui230000，China）

This paper describe the application of 30 degree wedge angle of the thread in the flange nut，use of its advantageous self-locking performance，research whether it can improve the flange nut loose，and the problems needing attention in application.

30 degree wedge angle of the thread；self-locking；flange nut；loose

TH131.3

A

1672-545X（2017）04-0129-03

2017-01-22

許克楊（1989－），男，安徽合肥人，本科，助理工程師，研究方向：FEA分析與緊固件設(shè)計(jì)。