組合軸承轉角扭矩法的參數確定

【美國】Arlindo Marques

（司百諾（上海）貿易有限公司，上海201108）

組合軸承轉角扭矩法的參數確定

【美國】Arlindo Marques

（司百諾（上海）貿易有限公司，上海201108）

SUSPENSYS公司為其車軸產品采用德國FAG公司生產的無需調整和潤滑的新組合軸承。因傳統的螺紋緊固件不能為該組合軸承提供穩定的緊固性能，也不能滿足新軸承重復使用的要求，故此組合軸承采用司百諾公司的專利螺紋技術并采用轉角扭矩擰緊法。司百諾內螺紋齒型不僅非常有效地抵抗橫向振動的影響，橫向振動是導致傳統螺紋松動的主要原因，而且使施加的純扭矩或扭矩-轉角與預緊力之間的關系更加一致。試驗證明采用這種螺紋技術結合轉角扭矩法能滿足新的組合軸承對螺栓連接的要求。最后確定裝配線上的螺紋連接的轉角扭矩擰緊工藝。發動機行業大量采用螺紋連接，人們一直研究如何獲得有效可靠的螺紋連接，此論文可為許多發動機工程師提供有價值的參考。

軸承螺紋連接扭矩預緊力

1 引言

本工作是因SUSPENSYS公司應用一種新型的組合軸承，需要采用有效的緊固件而提出的。采用FAG公司的組合軸承，就無需調整和潤滑，因此消除了軸承的拆裝錯誤的可能性。此外，對于MAXIUNI車軸，通過采用新的組合軸承和新的緊固件系統，與常規車軸相比，可大大減少其轉動系統中的零部件數量，從而大大降低維修保養費用。目前采用的傳統的帶螺母和鎖緊墊圈的緊固件系統不僅不能保證穩定的緊固性能，而且不能滿足新概念軸承的重復使用要求。為此，SUSPENSYS公司與司百諾（SPIRALOCK）公司合作啟動了一個旨在確定符合軸承制造商產品規格的新型緊固件系統的項目。

由司百諾公司提出的解決方案為：一種具有獨特螺紋齒型并帶法蘭面的M90×2螺母，采用轉角扭矩擰緊法，而不采用扭矩法，因為扭矩法會造成預緊力離散度偏大，不能保證必要的預緊力。司百諾內螺紋齒型可以非常有效地抵抗橫向振動的影響，而橫向振動是導致傳統螺紋松動的主要原因。司百諾內螺紋齒型還可使裝配扭矩或裝配轉角-扭矩與預緊力之間的關系更加一致。預緊力和擰緊力矩一致性的改進，是保證軸承上預緊力離散度小的基礎，本文后面主要解釋此概念。司百諾螺紋齒型的另一個重要特點是不需要任何附加的防松方法，如鎖緊墊圈、螺紋粘合劑、翻邊、鑲嵌物等。其自鎖特點通過螺栓外螺紋牙頂與司百諾內螺紋楔形面接觸而實現，如圖1所示。一旦外螺紋牙頂與內螺紋楔形長度上的面接觸，徑向間隙就不復存在。徑向間隙是導致傳統螺栓連接出現自行松動的主要原因。如圖2和圖3所示，司百諾螺紋齒形在螺栓外螺紋的牙頂和司百諾內螺紋楔形面之間產生徑向分布的接觸載荷與標準的60°螺紋齒型相比；標準60°齒形螺紋受力更集中在第一牙上，與之相比，司百諾內螺紋則可以使整個螺紋旋合長度上的受力更加均勻。

首先制作一個載荷元件，用于預測軸承和輪轂組合的結構性能。該元件的外徑接近于組合軸承的內徑，以方便裝配。由于軸承和轂組合的剛性大，變形就小。為獲得可測應變幅值的電信號，正確的應變感應器（應變片）位置就非常重要。因此對受力元件進行了有限元分析，確定了安裝應變片理想的位置。受力元件組裝后進入試驗。從試驗中，得到每一轉角下的受力曲線和扭矩曲線。第一組測試結果是：為獲得95~110 kN預緊力需要扭矩和轉角為294 N·m+22.5°。

為提高軸承和輪轂組件剛度性能的數據采集質量，用組合軸承自身的內環建立第2個受力元件。將軸承裝入輪轂中進行試驗，更符合系統剛度的實際情況。這樣可改進組件的分析。使用扭矩法，進行測量，發現為獲得相同要求的預緊力，扭矩變化范圍為1 470~2 450 N·m。試驗結論是提高扭矩值，預緊力的離散度也相應加大，這可在現有專業文獻中得到證明。

圖1 司百諾內螺紋齒型

圖2 司百諾內螺紋與傳統螺紋徑向力的比較

圖3 司百諾內螺紋和傳統螺紋受力分布

2 采用新組合軸承與新型螺紋技術的必要性

縱觀當今世界市場局勢，競爭高度激烈，其中以運輸行業為最具代表性；為了滿足客戶苛刻的期望和要求，具備高效的技術團隊是十分必要的。

面對這種趨勢，SUSPENSYS公司除了不斷加大投資力度和采用最先進裝備外，還憑借其專業知識和久經市場考驗的內在信仰，及訓練有素的技術人員，來滿足客戶提出的更多樣化的要求。

SUSPENSYS公司的技術團隊憑借擴大與征服市場的理念，根據汽車制造商的各種需求開發出各種各樣的懸架，車軸、輪轂和鼓輪。SUSPENSYS公司開發出了新的輪轂和軸承系統，取代目前的圓錐軸承（80×90 mm）。

根據軸承制造商所要求的規格，軸承必須用95~110 kN的預緊力進行裝配，以達到其理想壽命。由于現有的緊固件系統在運行中存在間隙，必須對現有的緊固件系統進行改進。

司百諾公司所提出的解決方案是：一種專利螺紋齒型并帶法蘭面的M90×2螺母，用轉角扭矩法，而不采用扭矩法。扭矩法的離散度較大，無法保證正確的預緊力。從新型緊固件概念出發進行了一系列研究，旨在制定轉角扭矩法工藝，以保證軸承上得到所要求的預緊力。

3 螺栓連接特征

當螺栓擰緊后，通過螺栓的伸長而產生預緊力，同時接連處會產生變形，變形量與施加載荷成正比。螺栓每轉動一周，螺栓伸長量和連接處的變形量等于一個螺距，下列方程式描述了在彈性區域內，轉角與預緊力之間的關系：

式中：

α——螺栓轉角；

δs——螺栓彈性（Bolt resilience）；

δp——連接件彈性；

p——螺距；

Ff——預緊力。

實際上，該公式是螺栓連接的虎克定律。

預緊力還取決于在復合應力狀態下的緊固件效率。當施加扭矩時，除了會產生預緊力外，由于摩擦力在旋合的螺紋及螺栓頭部的接觸面上的作用，還會在螺栓上產生扭轉力矩，其結果降低了螺栓產生預緊力的能力。

通常把平面應力強度（張緊）和復合應力強度（張緊+扭轉）二者之間的關系稱為效率，用下式表示：

式中：

Rf——張緊強度；

As——緊固件體的橫向截面。

效率取決于螺紋的摩擦系數，且可計算為：

式中，

μs——螺紋摩擦系數；

d2——螺紋中徑；

d1——螺紋小徑。

上述公式表明，增加螺紋的摩擦系數，就降低緊固件效率，因而降低復合應力下產生張緊力的能力。

裝配時，采用轉角扭矩法，分為兩個明顯不同的步驟：第一是適合的扭矩，第二是擰緊轉角。

有必要用適當的扭矩將螺栓擰緊到預緊力與轉角成正比的虎克定律有效范圍內。換句話說，每次增大擰緊角度，預緊力就成比例增加。從圖4可以看到一個典型的預緊力與轉角的關系曲線。

圖4 螺栓連接緊固曲線

適合的扭矩必須定為獲得進入預緊力與轉角成正比例的范圍而所需要的最小扭矩值。用大扭矩進行裝配會使預緊力變化范圍增大，因為預緊力與扭矩之間的關系取決于緊固件的摩擦系數。這種關系如以下公式所示：

式中：

Tf——扭矩；

Ff——預緊力；

K——扭矩系數；

d——螺栓直徑。

扭矩系數K可按下式計算：式中，

μw——螺栓頭部摩擦系數；

Dkm——螺栓頭部理論摩擦半徑。

式中，

dk——螺栓頭部接觸面外徑；

DB——連接孔孔徑。

因此，預緊力和扭矩之間的關系取決于螺紋和螺栓頭部的摩擦系數，以及螺栓頭部的摩擦半徑。摩擦系數主要取決于表面粗糙度，而理論摩擦半徑則取決于螺栓頭部的幾何形狀，螺栓頭部的幾何形狀可以從凹面變化到凸面。在相同尺寸情況下，凹面所產生的理論摩擦半徑大于凸面所產生的理論摩擦半徑。

4 理論預緊力的確定

將前面試驗得到的最小扭矩的10%，即1 500 N·m作為初始理論扭矩的估算值，用估算值和表1中的摩擦系數，計算出預緊力的變化：

表1 摩擦系數

根據此摩擦系數變化，可計算出裝配預緊力變化范圍：

因此，對于當前所使用的螺母而言，裝配的理論預緊力為72.46~98.04 kN。

5 轉角扭矩法參數的確定

如圖5所示為作為受力元件為本體的組合軸承。應力片置于組合軸承環內。第1個整體式受力元件為早期的分析獲得了合理的結果，但其由2個不同的內環構成，對軸承的結構性能模擬不能保持前后一致。因此，可選擇將組合軸承本身就作為受力元件，只要受力元件的剛度與所研究的軸承剛度相同。為更好地了解其上的應力和應變情況，也為了選擇應變片的理想位置，對此元件進行了有限元分析。

在一臺通用張緊/壓力測試機上對受力元件進行標定，標定結果（如圖6所示）與從德國FAG的測試機上獲得的結果（如圖7所示）相似。從圖6和圖7可看到由FAG測試的軸承剛性與為標定和

測量該新型系統而研制的載荷元件的剛度相似。

圖5 應變片在組合軸承中的位置

圖6組合軸承載荷元件上力與位移的標定曲線

圖6 和圖7中的兩斜線段明顯不同，第1直線段清楚地反映了調整滾動軸承與兩個內環凸肩連接情況，第2直線段反映了連接調整期剛度更高時的整個軸承發生彈性變形情況。如前所述，圖7中的軸承剛度曲線是從如圖8所示的德國FAG試驗室得到的。耐久試驗是在該實驗室完成的。

如圖9所示的受力元件標定完成后，進行了數次初始試驗（見圖10）。試驗中改變扭矩、轉角，用相同的轉角扭矩施加速度對12個不同車軸/螺母進行了測試，結果如表2所示。試驗時對螺紋和螺母的法蘭面進行無潤滑或潤滑。

如圖11所示為一轉角扭矩法應用的例子。在同一車軸上重復測試3次，結果是適合扭矩為343 N·m時，轉角為25°。該圖還顯示了第1次轉角扭矩擰緊后預緊力所發生的顯著變化。在第1次轉角扭矩擰緊后直至穩定前，預緊力有增加的趨勢。如圖12所示為在同一車軸上測試3次，第1次擰緊的適合扭矩為343 N·m，轉角為25°，后2次的擰緊的適合扭矩為343 N·m，轉角為20°。

根據試驗結果，確定必須用自動扭矩扳手裝配。第1次裝配時擰緊的適合扭矩為343 N·m，轉角為25°。如果因現場保養或任何返工需要，第2次及以后的裝配擰緊的適合扭矩仍為343 N·m，但轉角為20°。對螺紋和法蘭面進行適當潤滑，預緊力將控制在95 kN至110 kN之間。

圖7 德國FAG的組合軸承上力與變形的曲線

圖8 德國FAG試驗室及夾具

圖9 組合受力元件

圖10 用于確定轉角扭矩裝置

表2 在不同車軸上的測試結果

圖11 轉角轉矩法應用的例子

圖12 相同適合扭矩下預緊力與轉角關系

6 確認裝配線上的擰緊參數

用試驗方法確定所需的扭矩和轉角后，開始進行確認在裝配線上采用轉角扭矩擰緊設備是否也能得到同樣的結果。

為了確認，使用了在試驗階段使用的相同的載荷元件。表3列出部分最終測定結果。圖13所示的是已在裝配線上關鍵工序中對不同車軸采用轉角扭矩法的結果。

表3 2個實例結果

7 結論

新型車用MAXIUNI車軸采用技術創新，減少了組件的自身重量和復雜性，使維修更加方便，且減少故障，降低維修費用，增加凈運輸載荷。采用符合車軸設計的FAG組合軸承對取得此技術創新的特點和優勢起了很大作為用。同時，這種組合軸承對以前使用的緊固件系統（如60°齒型的螺母、墊圈和鋸齒狀墊圈以及在車軸上開槽）來說，預緊力變化控制要求高。采用司百諾螺紋齒型的螺母，并用轉角扭矩擰緊法，除具有所要求的自防松性能外，提供的預緊力變化在軸承要求的范圍內。對由軸承和應變片組成的載荷元件進行了試驗，得到的結果與在德國FAG磨損試驗室里得到的測試結果相似，證實了該試驗結果的精確性。

圖13 裝配線上軸承上受到的軸向載荷

在試驗臺上進行測試的結果如下：最終預緊力為95~130 kN，第1次裝配緊固參數為343 N·m+ 25°，第2次及以后裝配時的擰緊參數為343 N·m+ 20°，以上測試都是有潤滑的情況下進行的。應當指出，這些試驗是在試驗臺上進行的，擰緊轉角的測量不太精確，故出現預緊力測量值的上限大于要求值。

盡管如此，在裝配線上所得到的結果顯示，使用測量精度高的轉角扭矩擰緊機，獲得的最終預緊力為95~113 kN。第1次裝配時擰緊參數為343 N·m+25°，第2次及以后裝配的擰緊參數為343 N·m+20°，測試全部是在有潤滑的情況下進行的。

Determ ination of Torque-Angle Tightening Parameters of Unitized Bearing

Arlindo Marques

(Spiralock(Shanghai)Trading Company,Shanghai201108,China)

Suspensys adopted a new concept of FAG unitized bearing that does not need any ad justment or lubrication.For this new bearing,conventional 60°thread form fastener system w ith nut and lock w asher can not guarantee consistent tightening,or repeatability for the new bearing.Thus,Suspensys w orked w ith Spiralock Corporation and applied Spiralock's patent thread w ith torque-angle tightening method.Spiralock thread form is exceptionally resistant to the effects of transverse vibration,the major cause of thread loosening.This internal thread form also provides a more consistent relationship betw een torque/torque-angle and obtained preload.Experiments show ed that this unique internal thread form w ith torqueangle tightening method could effectively provide comm itment of thread connection for the new bearing.Based on the experim ents,the torque-angle process w as developed to guarantee the required clam ping load in the bearings at the assemble line.Thread connection is w idely used in engine industry.How to have an effective and reliable thread connection has been studied all the tim e.The information provided in this paper can serve as valuable reference for many engine engineers.

bearing,thread connection,torque,clamping force

來稿日期：2009-03-25

Arlindo M arques（1960-），男，全球工程應用部主任，主要研究方向為特殊緊固件和刀具。