某輕卡雙扭桿機(jī)構(gòu)扭桿力調(diào)節(jié)螺栓（螺母）強(qiáng)度校核計(jì)算

陳鵬飛，顧鴃，黃康

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

隨著卡車運(yùn)輸?shù)钠占埃瑸榱吮阌谡嚨木S修和保養(yǎng)，目前大多數(shù)平頭載貨汽車駕駛室可向前翻轉(zhuǎn)。其翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可分為機(jī)械式、液壓式兩種。機(jī)械式翻轉(zhuǎn)主要是利用扭桿的扭轉(zhuǎn)力矩克服駕駛室的重力矩來實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)類型分為單扭桿作用和雙扭桿作用，雙扭桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)又分為扭桿力可調(diào)節(jié)和不可調(diào)節(jié)。

文章中的輕卡采用扭桿力可調(diào)節(jié)雙扭桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，扭桿輸出力矩大小可通過調(diào)節(jié)螺栓來調(diào)整，從而使駕駛室翻轉(zhuǎn)舉升力在保持在合適范圍內(nèi)，大大提升了駕駛室舉升輕便性。而扭桿對(duì)調(diào)節(jié)螺栓（螺母）的反作用力主要是依靠調(diào)節(jié)螺栓（螺母）的螺紋克服，螺紋的抗擠壓校核計(jì)算成為必要，在設(shè)計(jì)過程中通過對(duì)扭桿力調(diào)節(jié)螺栓（螺母）強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，考察設(shè)計(jì)階段調(diào)節(jié)臂的結(jié)構(gòu)和螺栓選取是否合理，為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作提供參考。

1 雙扭桿可調(diào)機(jī)構(gòu)的工作原理及受力分析

圖1中，右扭桿8一端插入右調(diào)節(jié)臂6內(nèi)花鍵中，為固定端，另一端穿過左支架2與扭桿臂5花鍵連接，同理，左扭桿7一端插入左調(diào)節(jié)臂9內(nèi)花鍵中，為固定端，另一端穿過右支架3與扭桿臂5花鍵連接，滾輪4與駕駛室地板縱梁連接。駕駛室在鎖緊情況下處于水平位置，此時(shí)駕駛室通過滾輪4作用于扭桿臂5上的力就會(huì)使扭桿產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，且此時(shí)扭轉(zhuǎn)的角度最大，扭桿產(chǎn)生的扭力矩也最大，當(dāng)鎖止解除后，扭桿的扭力矩作用于滾輪，克服駕駛室重力矩，并施加較小的向上推力可使駕駛室實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)駕駛室翻轉(zhuǎn)到最大角度時(shí)，扭桿的能量基本釋放完畢，駕駛室翻轉(zhuǎn)速度逐漸減小，輕輕上推駕駛室，依靠駕駛室支撐桿1將駕駛室鎖在最大翻轉(zhuǎn)角的位置。當(dāng)放下駕駛室時(shí)，駕駛室利用自身的重力下落，其重力矩逐漸增大，滾輪對(duì)扭桿作用使其扭轉(zhuǎn)角增大，則扭力矩也增大，克服重力矩，使駕駛室的回落速度逐漸減小，向下拉動(dòng)駕駛室即可使其鎖住。在駕駛室裝配之前，調(diào)節(jié)螺栓11長度可改變扭桿7工作角度，即改變扭桿7最大輸出力矩，從而使駕駛室翻轉(zhuǎn)舉升力在保持在合適范圍內(nèi)，大大提升了駕駛室舉升輕便性。

圖1 某輕卡翻轉(zhuǎn)雙扭桿可調(diào)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

圖2中，在駕駛室鎖止?fàn)顟B(tài)，左扭桿7與左調(diào)節(jié)臂9內(nèi)花鍵嚙合，對(duì)調(diào)節(jié)螺栓11（螺母10）產(chǎn)生反作用力F，主要是依靠調(diào)節(jié)螺栓11（螺母10）的螺紋來克服，力臂為L。

圖2 調(diào)節(jié)螺栓受力分析示意圖

2 校核計(jì)算

螺栓與螺母之間通過螺紋相互施加作用力，把螺紋牙展直后相當(dāng)于一根懸臂梁，如圖3所示。通常螺母的材料強(qiáng)度低于螺栓，在校核螺紋強(qiáng)度時(shí)以螺母為考察對(duì)象。

圖3 螺母螺紋展開示意圖

2.1 螺紋抗擠壓校核

抗擠壓是指公、母螺紋牙之間的擠壓應(yīng)力不應(yīng)超過許用擠壓應(yīng)力，否則便會(huì)產(chǎn)生擠壓破壞。設(shè)軸向力為 F，相旋合螺紋圈數(shù)為z，則驗(yàn)算計(jì)算式為：

其中：

σp：擠壓應(yīng)力，單位MPa；

[σp]：許用擠壓應(yīng)力，單位MPa；

F：軸向力，單位N；

d2：外螺紋中徑，單位mm；

z：螺紋圈數(shù)；

h：螺紋工作高度，單位mm；

p：為螺距，單位mm，h與p的關(guān)系為：

梯形螺紋：h=0.5p

矩形螺紋：h=0.5p

鋸齒螺紋：h=0.75p

查閱圖紙得扭桿的扭矩為 1537N·m，扭桿臂有效長度為L=60mm；該扭桿調(diào)節(jié)螺栓/螺母為Q151B1450TF61/Q341 B14，查閱標(biāo)準(zhǔn)件手冊(cè)得知d2=13.026mm，p=1.5mm，z=6。

σp=F/πd2hz=（1537/0.06）/（π*0.013026*0.541*0.0015*6）

=25616.67/（π*0.013026*0.541*0.0015*6）

=128.56（MPa）

螺紋的許用擠壓應(yīng)力[σp]=σs/Sp=333.3（MPa）＞128.56（MPa）

其中：

σs：螺母的材料屈服極限，單位 MPa，查閱資料取500MPa；

Sp：安全系數(shù)，查閱資料，控制預(yù)緊力時(shí)取1.5。

綜上，螺紋受擠壓應(yīng)力在許用范圍內(nèi)。

2.2 螺紋抗剪切強(qiáng)度校核

螺紋受剪切強(qiáng)度計(jì)算公式為：

其中：

τ：剪切應(yīng)力，單位MPa；

[τ]：許用剪切應(yīng)力，單位MPa

F：軸向力，單位N；

D：螺紋大徑，單位mm；

z：螺紋圈數(shù)；

b：螺紋牙底寬度，單位mm，b與p的關(guān)系為：梯形螺紋：b=0.634p；

矩形螺紋：b=0.5p；

鋸齒螺紋：b=0.736p：

普通螺紋：b=0.75p。

對(duì)于鋼質(zhì)材料，一般可以取[τ]=0.6[σ]，[σ]為材料的許用拉應(yīng)力，[σ]= σs/Sτ，單位MPa，其中σs為屈服應(yīng)力，單位MPa，Sτ為安全系數(shù)，查閱資料，控制預(yù)緊力時(shí)取1.5。

扭桿力調(diào)節(jié)螺栓配合螺栓大徑D=14mm，則：

τ=25616.67/（π*0.014*0.75*0.0015*6）=86.29（MPa）

[τ]=0.6*500/1.5=200（MPa）＞86.29（MPa）

綜上，螺紋受剪切應(yīng)力在許用范圍內(nèi)。

2.3 螺紋抗彎曲強(qiáng)度校核

螺紋受彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為：

其中：

σb：擠壓應(yīng)力，單位MPa；

[σb]：許用擠壓應(yīng)力，單位MPa；

F：軸向力，單位N；

D：螺紋大徑，單位mm；

h：螺紋工作高度，單位mm；

z：螺紋圈數(shù)；

b：螺紋牙底寬度，單位mm，b與p的關(guān)系為：梯形螺紋：b=0.634p；

矩形螺紋：b=0.5p；

鋸齒螺紋：b=0.736p：

普通螺紋：b=0.75p。

對(duì)于鋼質(zhì)材料，一般可以取[σb]=1.2[σ]，[σ]為材料的許用拉應(yīng)力，[σ]= σs/Sb，單位MPa，其中σs為屈服應(yīng)力，單位MPa，Sb為安全系數(shù)，查閱資料，控制預(yù)緊力時(shí)取1.5。

將參數(shù)帶入公式：

σb=（3*25616.67*0.541*0.0015）/[π*0.014*（0.75*0.0015）2*6]

=186.72（MPa）

許用彎曲應(yīng)力[σb]=1.2[σ]=1.2σs/Sb=1.2*500/1.5=400（MPa）＞186.72（MPa）綜上，螺紋受彎曲應(yīng)力在許用范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

經(jīng)過理論校核計(jì)算，某輕卡雙扭桿機(jī)構(gòu)扭桿力調(diào)節(jié)螺栓（螺母）強(qiáng)度：螺紋抗擠壓強(qiáng)度 128.56MPa，抗剪切強(qiáng)度86.29MPa，抗彎曲強(qiáng)度186.72MPa，均在許用范圍內(nèi)，且安全系數(shù)均在2以上，滿足強(qiáng)度要求。