自動變速器油泵螺釘擰緊力矩的分析與應(yīng)用*

吳 松,李家駒，楊 建

(重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 402760)

0 引 言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對自動變速器的需求也與日俱增，油泵作為自動變速箱中重要的一員，對變速箱的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。其中油泵螺釘?shù)臄Q緊力矩對油泵性能有重要影響。力矩過大，會造成零部件變形，螺紋損壞甚至螺釘斷裂；力矩過小，會造成螺紋連接不可靠，使得油泵在工作過程中發(fā)生泄漏甚至解體；無論力矩過大或過小，都會造成油泵性能的下降，嚴(yán)重時甚至失效。因此，筆者通過對油泵螺釘擰緊力矩的研究，確定擰緊力矩、擰緊方法及檢測方法，最終為油泵在批量生產(chǎn)中螺釘?shù)膽?yīng)用提供重要依據(jù)。

1 螺紋連接擰緊力矩的計(jì)算

1.1 螺紋連接擰緊力矩的組成

=KFd

(1)

式中：d2為螺紋基本中徑；d為螺紋公稱直徑；ψ為螺紋升角；ρv為螺紋當(dāng)量摩擦角；fc為螺釘頭支承面與被連接件之間的摩擦系數(shù)；d0為螺釘孔口直徑；D0為螺釘頭支承面外徑；K為擰緊力矩系數(shù)，一般計(jì)算取K=0.2,也可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選取適當(dāng)?shù)腒值[2]，見表1所列。

表1 擰緊力矩系數(shù)K

螺釘?shù)墓Q直徑d已知，如果能確定預(yù)緊力F，則可以按公式(1)計(jì)算螺釘?shù)臄Q緊力矩。

1.2 預(yù)緊力的確定

在確定螺釘?shù)念A(yù)緊力時，一般是將螺釘擰緊到該部件所能承受的最大強(qiáng)度。但在實(shí)際應(yīng)用中，通常使螺釘擰緊后的預(yù)緊力達(dá)到[3]：

σ0=(0.5-0.7)σs

(2)

式中：σs為螺釘材料的屈服強(qiáng)度。

按上述方法確定螺釘連接的預(yù)緊力后，即可根據(jù)公式(1)計(jì)算出螺釘連接所需要的擰緊力矩。

1.3 螺紋連接力矩計(jì)算實(shí)例

以重慶紅宇JL6HTYB為例，如圖1所示，該總成所用螺釘?shù)牟牧蠟?5CrMoA，查閱相關(guān)資料，得到35CrMoA的屈服強(qiáng)度σs為835 MPa。M6粗牙普通螺紋的小徑D1=4.92 mm，取σ0=0.6，σs=501 MPa，則預(yù)緊力F=π(d1/2)2σ0=9 520 N，再根據(jù)公式(1)可計(jì)算出擰緊力矩T=11.424 N·m，再分別取σ0為0.5σs和0.7σs時，可計(jì)算出擰緊力矩為9.5 N·m和13.328 N·m，即該型油泵總成使用螺釘連接擰緊時力矩應(yīng)在9.5～13.328 N·m之間，最終確定油泵裝配時螺釘?shù)臄Q緊力矩為11±1 N·m。

再以另一產(chǎn)品BYD6DT35YB為例，如圖2所示，其螺釘材料為30CrMo，屈服強(qiáng)度σs為785 MPa，根據(jù)以上公式，同樣可算出螺釘?shù)牧胤秶鸀?.95～12.53 N·m，最終確定油泵裝配時螺釘?shù)臄Q緊力矩為10±1 N·m。

圖1 重慶紅宇JL6HTYB油泵 圖2 重慶紅宇BYD6DT35YB油泵

1.4 實(shí)例分析

根據(jù)公式(1)可知，在其他參數(shù)都一定的情況下，螺釘預(yù)緊力F與螺釘孔口直徑d0以及螺釘頭支承面外徑D0有關(guān)。以JL6HTYB為例，如圖3所示。

圖3 JL6HTYB油泵反作用支撐螺釘孔孔口倒角C1與C0.25

2 螺釘擰緊方法

在汽車自動變速器的行業(yè)中，螺釘擰緊最常使用的方法主要有以下兩種。

2.1 扭矩法

此方法需先按照前文所述方法計(jì)算出螺釘?shù)臄Q緊力矩，再使用專用工具或設(shè)備進(jìn)行擰緊，擰緊時以力矩作為最終目標(biāo)，如圖4所示。

圖4 日本DDK擰緊槍擰緊程序(扭矩法)

通常情況下，對于螺釘數(shù)量不多的產(chǎn)品，可使用機(jī)械式扭力扳手按照一定的順序(通常是對角)直接擰緊即可，如圖5、6所示。

圖5 DTF360YB油泵的4顆螺釘1-4：擰緊時按照1-2-3-4擰緊 圖6 機(jī)械式扭力扳手

對于螺釘數(shù)量較多的零件，通常使用專業(yè)的螺釘擰緊槍進(jìn)行擰緊，擰緊時先以終擰緊力矩的一半進(jìn)行預(yù)擰緊(如，終擰緊力矩為10 N·m，則預(yù)擰緊力矩為5 N·m)，擰緊時也需按一定順序擰緊，通常是先內(nèi)后外對角擰緊，如圖7所示。同時，也可根據(jù)節(jié)拍需求，配置2把甚至更多數(shù)量的擰緊槍，如圖8所示。當(dāng)前擰緊槍的種類較多，但功能都大同小異，其中較為優(yōu)秀的品牌有德國BOSCH、瑞典ATLAS、日本DDK等。

圖7 JL6HTYB油泵的101-10：擰緊時按照1-2-3-4-5-6-7-8-9-10擰緊 圖8 德國BOSCH擰緊槍顆螺釘(2把)

2.2 角度法

此方法先將螺釘以預(yù)擰緊力矩按順序擰緊，然后再將螺釘擰過指定的角度θ[4]，擰緊時以角度作為最終目標(biāo)，如圖9所示。

圖9 日本DDK擰緊槍擰緊程序(角度法)

式中：p為螺距；Cp為螺釘材料的剛度，N/mm。

兩種方法在應(yīng)用時相輔相成，使用扭矩法時，可同時對擰緊角度進(jìn)行監(jiān)控，如圖10、11所示；使用角度法時，也可對擰緊力矩進(jìn)行監(jiān)控。其中力矩法應(yīng)用更為廣泛，成本較低，一般認(rèn)為有±20%左右的誤差；而角度法精度更高，誤差可達(dá)±15%，使用時可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

圖10 日本DDK擰緊槍 圖11 使用扭矩法擰緊螺釘時也可對角度進(jìn)行監(jiān)控

3 擰緊力矩的檢驗(yàn)

3.1 放松擰緊的檢驗(yàn)方法

將已擰到位的螺釘反向擰松，讀出扳手所示的力矩值。根據(jù)原聯(lián)邦德國的資料介紹，擰松力矩約為擰緊力矩的70%～75%[5]，表2為A6F5YB油泵螺釘?shù)臄Q緊與反松力矩。

表2 A6F5YB油泵螺釘擰緊與反松力矩 /N·m

經(jīng)過計(jì)算，這兩件油泵擰松力矩與擰緊力矩的比值分別為71.9%、69.7%。

3.2 用數(shù)顯扳手順螺釘擰緊方向的檢驗(yàn)方法

用電子式數(shù)顯扭力扳手(見圖12)順著螺釘擰緊方向，當(dāng)讀數(shù)達(dá)到規(guī)定要求的下限值，螺釘不轉(zhuǎn)動；當(dāng)螺釘轉(zhuǎn)動時的讀數(shù)值小于規(guī)定要求的上限值，則可判定為合格。

圖12 電子式數(shù)顯扭力扳手

當(dāng)未達(dá)到規(guī)定下線螺釘即轉(zhuǎn)動或已達(dá)規(guī)定上限螺釘仍不轉(zhuǎn)動則判定為不合格。這種檢驗(yàn)方法比較可靠，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。

4 結(jié) 語

從油泵螺釘擰緊力矩的計(jì)算確定，螺釘?shù)臄Q緊方法，螺釘力矩的檢測方法等方面展開分析，對自動變速器油泵的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，同時在汽車零部件領(lǐng)域的類似零件螺釘扭矩也可參考此文進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。