方向機(jī)緊固螺栓設(shè)計(jì)改進(jìn)校核

陳浩

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方向機(jī)緊固螺栓設(shè)計(jì)改進(jìn)校核

陳浩

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

通過(guò)對(duì)方向機(jī)緊固螺栓表面處理工藝改進(jìn)前和修正后各種狀態(tài)下的參數(shù)對(duì)比，得出進(jìn)一步提高擰緊后的軸向力安全系數(shù)的有效措施。通過(guò)對(duì)方向機(jī)支架螺紋孔強(qiáng)度校核，進(jìn)一步確認(rèn)方向機(jī)裝配時(shí)的螺緊固螺栓軸向預(yù)緊力上限值。

方向機(jī)；軸向力

引言

方向機(jī)緊固螺栓是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重要的零部件之一，它在工作中承受方向機(jī)的轉(zhuǎn)向力矩是交變載荷，須保證安裝后螺栓軸向產(chǎn)生足夠的預(yù)緊力并維持足夠的軸向夾緊力，以保證在最大轉(zhuǎn)向力矩時(shí)方向機(jī)與支架間不發(fā)生滑動(dòng)。文章以HFC6570KY1V型客車底盤為例重點(diǎn)校核采用新表面處理工藝的緊固螺栓各種工作狀態(tài)的性能提升及方向機(jī)支架螺紋孔強(qiáng)度，以確定軸向預(yù)緊力提高所能達(dá)到的范圍。

1 方向機(jī)緊固螺栓校核

1.1 連接副參數(shù)

HDC6570KY1V轉(zhuǎn)向器的緊固方式為：通過(guò)4顆螺栓穿過(guò)轉(zhuǎn)向器安裝板，擰入轉(zhuǎn)向器支架上的螺紋孔將轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向器支架緊固在一起。轉(zhuǎn)向器工作時(shí)最大輸出扭矩1952Nm,其結(jié)構(gòu)及載荷見圖1，用195‐250N.m 定扭扳手?jǐn)Q緊。

圖1 客車底盤轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及外載荷

轉(zhuǎn)向器上4顆緊固螺栓安裝孔與輸出軸的位置尺寸見圖2，通過(guò)計(jì)算可分別得到r1=r2=143mm，r3=r4=86.8mm。

連接副參數(shù)如下：

a.螺栓軸心與輸出軸的位置尺寸關(guān)系：見圖2

b.轉(zhuǎn)向器輸出最大力矩MQ=1952N.m

c.轉(zhuǎn)向器安裝板：材料：QT450，孔徑φ16.5mm，厚度16mm

d.轉(zhuǎn)向器支架：材料：QT450，螺紋孔M16×1.5‐6G，厚度17mm，接觸面粗糙度Ra6.3

e.螺栓信息：ISO1014 M16×1.5×L 10.9 級(jí)六角頭螺栓

圖2 客車底盤轉(zhuǎn)向器緊固螺栓位置尺寸圖

1.2 原緊固螺栓設(shè)計(jì)校核相關(guān)結(jié)果（表面處理采用普通達(dá)克羅）

表1

1.3 新緊固螺栓設(shè)計(jì)校核（表面處理采用環(huán)保鋅鋁涂層）

1.3.1 螺栓設(shè)計(jì)校核

1.3.1.1 螺栓所需要最小夾緊力

由圖1和圖2 所示的方向器外載荷及螺栓位置尺寸圖，可得：

ks MQ =(μcF1r1+μcF2r2+μcF3r3+μcF4r4 ) （1）

式中：MQ——方向器的外載荷

μc——轉(zhuǎn)向器安裝板和轉(zhuǎn)向器支架接觸面摩擦系數(shù)

F1——1 點(diǎn)螺栓的緊固軸向力

ks——考慮接觸面摩擦不穩(wěn)定等的可靠性系數(shù)，一般1.2‐1.5

在此連接副中，取值μc=0.25，ks=1.5 時(shí)，假定F1= F2= F3= F4，將MQ，r1 ,r2,r3,r4 分別帶入式1 中，可得：

1.3.1.2 螺栓所需要最小夾緊力

螺栓支撐面外徑：dw=22.49mm

螺紋中徑：d2=14.90mm

屈服強(qiáng)度：σ0.2=940MPa

摩擦系數(shù)：μ=0.12‐0.18，（無(wú)鉻鋅鋁涂覆，頂涂帶摩擦控制潤(rùn)滑劑）。

應(yīng)力截面積：A0=167mm2

由上可得支撐面等價(jià)扭矩半徑：

當(dāng)μG=μK=μGmax=0.18，擰緊力矩MAmin=195N.m 時(shí)

考慮螺栓安裝后的衰減，取系數(shù)r=0.9，則FTmin=54.7×0.9=49.23KN。

1.3.1.3 擰緊軸向力校核結(jié)果

安全系數(shù)大于1，擰緊軸向力校核合格。

1.3.2 螺栓安裝扭矩校核

1.3.2.1 螺栓動(dòng)態(tài)屈服扭矩

螺紋摩擦系數(shù)μGmin=0.12 時(shí)，屈服軸力為：

μG=μK=μGmin=0.12，屈服扭矩為：

1.3.2.2 螺栓的最大建議擰緊力矩

為保證螺栓在彈性范圍，取安全系數(shù)V=0.8，MA=329.41×0.8=263.5N.m，現(xiàn)安裝扭矩最大250Nm＜263.5Nm，安裝扭矩合格。

1.3.3被連接件壓潰驗(yàn)證

1.3.3.1 被連接件強(qiáng)度驗(yàn)證(壓潰驗(yàn)證)

擰緊扭矩MA=195‐250N.m 時(shí)軸向力最大：

螺栓與轉(zhuǎn)向安裝板接觸面的壓強(qiáng)：

轉(zhuǎn)向器安裝板材料QT500，抗壓強(qiáng)度PG 取500MPa。

則Pmax＜PG，被連接件在摩擦系數(shù)最小0.12，扭矩最大250Nm時(shí)會(huì)有壓潰現(xiàn)象。

1.3.3.2 無(wú)壓潰的最大扭矩

無(wú)壓潰的最大軸向力：

無(wú)壓潰的最大扭矩：

即最大擰緊力矩為224N.m，安裝扭矩應(yīng)為195N.m-224 N.m。

1.3.4轉(zhuǎn)向器支架強(qiáng)度驗(yàn)證

根據(jù)上面的計(jì)算，滿足被連接件無(wú)壓潰的最大軸向力為83KN，則最大的螺紋應(yīng)力為：

見附錄1的轉(zhuǎn)向器支架強(qiáng)度經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證表面其螺紋孔強(qiáng)度約為1000MPa >497MPa，轉(zhuǎn)向器支架強(qiáng)度合格。

1.4 零件改進(jìn)前后對(duì)比

零件改進(jìn)前后各種狀態(tài)的參數(shù)對(duì)比見表1：

表1 零件改進(jìn)前后各種狀態(tài)的參數(shù)對(duì)比

2 方向機(jī)支架螺紋孔強(qiáng)度校核

2.1 實(shí)驗(yàn)方案及零件準(zhǔn)備

將螺紋孔切割作為螺母，采用標(biāo)準(zhǔn)的M16×1.5 10.9級(jí)螺栓與其配套進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)出破壞的力和破壞形式。將方向機(jī)安裝支架固定在臺(tái)鉗上如圖2，用砂輪機(jī)依次切割下所需的螺紋孔部分如圖3，完成實(shí)驗(yàn)零件制備。

圖2 方向機(jī)支架切割過(guò)程

圖3 切割完成的方向機(jī)支架螺紋孔

經(jīng)測(cè)量，三個(gè)螺紋孔厚度為16.5mm、17.1mm、18.1mm，即1-1.1d厚度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

拉伸后的螺栓及螺栓孔如圖4，螺栓屈服斷裂前螺母發(fā)生滑牙破壞。

圖4 拉伸試驗(yàn)后螺紋孔滑牙圖片

拉力試驗(yàn)結(jié)果見表2，螺母發(fā)生滑牙時(shí)所對(duì)應(yīng)的螺栓強(qiáng)度為1020-1100MPa，螺栓本身的抗拉強(qiáng)度約1100MPa，即螺母滑牙發(fā)生在螺栓屈服點(diǎn)附近，螺紋孔的拉力曲線及螺栓的拉伸曲線見圖5。

表2 螺紋孔及試驗(yàn)螺栓的拉力試驗(yàn)結(jié)果

見圖5（左）的拉伸曲線，三個(gè)螺紋孔發(fā)生滑牙時(shí)兩個(gè)螺栓已明顯發(fā)生屈服，試驗(yàn)零件剛到屈服點(diǎn)。

3 結(jié)論

a）經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比，原緊固螺栓（普通達(dá)克羅）軸向力、擰緊扭矩、方向機(jī)支架及方向機(jī)安裝板的強(qiáng)度都合格。

b）采用新緊固螺栓（環(huán)保鋅鋁涂層），安裝后軸向力的安全系數(shù)可由1.19提高到1.97，為保證方向機(jī)安裝板無(wú)壓潰，最大擰緊力矩建議最大為224N.m。

c）如需進(jìn)一步提高擰緊后的軸向力安全系數(shù)，需避免轉(zhuǎn)向器被壓潰，需將螺栓改為法蘭面螺栓增大接觸面積。

d）安裝支架螺紋孔內(nèi)螺紋滑牙時(shí)的強(qiáng)度為1020-1100 MPa，170-185N.m，達(dá)到或超過(guò)了10.9級(jí)螺栓的屈服強(qiáng)度。

e）因螺紋孔滑牙在屈服點(diǎn)附近（超出或剛到屈服點(diǎn)），因此為保證實(shí)際連接的可靠，建議軸向預(yù)緊力的上限略低于全承載的螺栓螺母為屈服軸力的0.8倍。

[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 酒井智次,柴之龍.螺紋緊固件連接工程.北京機(jī)械工業(yè)出版社, 2016.

[3] 候亞萍.螺紋連接的防松方法[J]機(jī)械工程師,2010（11）:18-19.

Design and Improvement of Fastening Bolt for Directional Machine

Chen Hao

( Anhui Jianghuai Automobile Co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The effective measures of further improve the safety coefficient of axial force after tightening are obtained by comparingthe parameters of the surface treatment process beforceand after the modification of the tightening bolt.By checking the strength of the threaded hole of the support bracket,the upper limit value of the axial pretightening force of the fastening bolt of thesteering wheel assembly is further confirmed.

directional machine;axial force

B

1671-7988(2018)18-90-03

U462

B

1671-7988(2018)18-90-03

CLC NO.: U462

陳浩( 1988.02- )，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.031