V型推力桿緊固螺栓斷裂、松動問題分析與改進(jìn)

楊銀輝

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

V型推力桿緊固螺栓斷裂、松動問題分析與改進(jìn)

楊銀輝

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

以某公司6×4牽引車后懸架V型推力桿V端螺栓斷裂、松動問題為研究對象，通過分析驅(qū)動工況、制動工況時V型推力桿的最大受力情況，校核了推力桿螺栓的強(qiáng)度，結(jié)果顯示是由于原V型推力桿緊固螺栓強(qiáng)度不足導(dǎo)致螺栓斷裂，并結(jié)合厚墊圈防松原理，確定改進(jìn)方案，即將V型推力桿緊固螺栓由M20改為M22，在鑄造橫梁與V型推力桿緊固處增加45mm厚墊圈后，解決了螺栓斷裂、松動問題，該方案經(jīng)過用戶實(shí)際使用和10000km的綜合道路試驗(yàn)驗(yàn)證，改善效果較好，減少了用戶抱怨和經(jīng)濟(jì)損失。

螺栓斷裂；螺栓松動V型推力桿；受力分析；強(qiáng)度校核

CLC NO.:U463.21 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-101-03

引言

V型推力桿主要應(yīng)用在非獨(dú)立懸架的單橋或雙后橋重型汽車上，連接著車架與車橋，其目的主要是為了克服鋼板彈簧只能傳遞垂直力和側(cè)向力而不能傳遞牽引力、制動力及其相應(yīng)的反作用力矩；作為汽車懸架系統(tǒng)的重要組成部分，通常設(shè)置在載重汽車中、后橋上：其一端與車架鉸接，另一端則與中、后橋相鉸接：其作用主要是傳遞縱向力及其力矩和橫向力及其力矩，如牽引力，制動力及汽車轉(zhuǎn)彎時的離心力等，V型推力桿的安裝通過螺栓組與車架聯(lián)接，螺栓緊固一旦失效、松動就會影響到車輛的安全性能，本文針對某6×4牽引車后懸架V型推力桿V端螺栓斷裂、松動問題，從設(shè)計理論角度對失效原因進(jìn)行分析，最終通過設(shè)計優(yōu)化解決該問題。后懸架結(jié)構(gòu)及失效螺栓安裝如圖1所示。

1、理論分析

螺栓失效與零部件加工尺寸、表面光潔度、表面處理、螺栓的設(shè)計強(qiáng)度是否合理均有關(guān)。失效后的螺栓如圖2所示。本文主要從設(shè)計角度對連接螺栓強(qiáng)度進(jìn)行了校核分析。

1.1 參數(shù)輸入

表1 某6×4牽引車相關(guān)參數(shù)

1.2 V型推力桿受力分析

推力桿承受縱向力的頻次（驅(qū)動、制動）比承受側(cè)向力的頻次（轉(zhuǎn)彎、橫坡）要多，以下分別在最大驅(qū)動工況和最強(qiáng)制動工況對V型推力桿進(jìn)行了縱向的受力分析。為簡化模型，不考慮推力桿的傾斜角度，推力桿受力模型如圖3所示。

1.3 最大驅(qū)動工況

在最大驅(qū)動工況時，V型推力桿（同上推力桿）受力與車輛行駛方向相反，下推力桿受力向前，輪胎與地面的摩擦力向后。最大驅(qū)動工況時的驅(qū)動力可參照該車的發(fā)動機(jī)最大扭矩、變速器一檔速比、后橋速比、路面覆著系數(shù)及傳遞效率進(jìn)行計算得出：

參照圖 3，再根據(jù)力矩平衡原理，驅(qū)動橋上下推力桿的力矩應(yīng)為平衡狀態(tài)。

式中，A=389mm，B=175.5mm，將以上數(shù)據(jù)及表1數(shù)據(jù)代入公式可得最大驅(qū)動工況時上推力桿所受最大力 FA= 89.8kN。

1.4 最強(qiáng)制動工況

在緊急制動時，制動器在驅(qū)動橋中心作用較大制動力矩M，保證驅(qū)動橋輪胎抱死，增加該制動力矩后，使得上推力桿受力向前，下推力桿受力向前，輪胎與地面摩擦力向后。上下推力桿受力形成的力矩與橋中心形成的力矩平衡，可得：

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，可得在22t最強(qiáng)制動工況下，上推力桿所受最大力為FA=36.3kN。

1.5 V型推力桿受力分解

經(jīng)以上分析，最大驅(qū)動工況時上推力桿（即V型推力桿）受力最大為89.8kN，后續(xù)將按照此校核V端螺栓強(qiáng)度。參照二力桿作用原理，將V型推力桿可看成2個二力桿件組成，縱向力在兩個V端受力分解如圖4所示。桿向最大力R即為V型推力桿V端與鑄造橫梁連接螺栓受力大小。

其中θ=55.3°，F(xiàn)1=FA=89.8kN，將數(shù)據(jù)代入以上公式，可得V型推力桿一端處螺栓受力大小R=50.7kN。

1.6 V型推力桿緊固螺栓受力分析

V型推力桿與鑄造橫梁部位采用2條M20×2的螺栓，螺栓材料 40Cr，性能等級 10.9級，其σb=1000Mpa，σs=900Mpa，該螺栓其他相應(yīng)參數(shù)如下表2：

表2 M20×2螺栓相關(guān)參數(shù)

擰緊力矩公式T=kFd，式中k為扭矩系數(shù)；F為預(yù)緊力，kN；d為螺紋公稱直徑，mm。

可得預(yù)緊力大小為F=T/kd=560/(0.22×20)=127kN。

1.7 改進(jìn)方案

（a）增大螺栓規(guī)格，將2條M20×2螺栓更改為2條M22×2，其螺栓參數(shù)如下表3：

表3 M22×2螺栓相關(guān)參數(shù)

可得M22螺栓桿應(yīng)力為 ＜ ，螺栓強(qiáng)度滿足要求。

（b）由于該處螺栓主要承受軸向力，增加厚墊圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行防松對螺栓松動改善較大，厚墊圈結(jié)構(gòu)因螺栓貫穿推力桿球頭和厚墊圈，比普通結(jié)構(gòu)的長度加長，剛度減小，裝配時需多擰轉(zhuǎn)螺紋副，產(chǎn)生足夠的彈性變形量，消耗更多的螺栓變形能，預(yù)緊力才會與普通結(jié)構(gòu)的預(yù)緊力相等。承載時外載荷就需要多做功，抵消全部的螺栓變形能，螺紋副才會松動。雖然螺栓規(guī)格加大后，可解決螺栓斷裂問題，但不能完全解決螺栓松動問題，為此，如圖5、圖6所示，在V型推力桿與鑄造橫梁連接處增加厚度45mm的墊圈后，相比原結(jié)構(gòu)螺栓加長 45mm，剛度減小，使得擰緊時需要消耗更多的功，起到了防松作用。

2、結(jié)束語

本文通過分析驅(qū)動工況、制動工況時V型推力桿的最大受力情況，重新校核了推力桿螺栓的強(qiáng)度，結(jié)果是由于原V型推力桿緊固螺栓強(qiáng)度不足導(dǎo)致螺栓的斷裂，結(jié)合厚墊圈防松原理，確定改進(jìn)措施，即將 V型推力桿緊固螺栓由 M20改為M22，并在鑄造橫梁與V型推力桿緊固處增加45mm厚墊圈后，經(jīng)市場用戶使用和10000km綜合道路試驗(yàn)驗(yàn)證，未再出現(xiàn)螺栓頻繁松動、斷裂問題。

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Analysis and Improvement of Fastening Bolts Broken and Loose for V-Type Thrust Rod

Yang Yinhui
（Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

After a company with 6 × 4 tractor suspension v thrust rod end bolt fracture, loosening problems for the study, by analyzing the driving conditions, the maximum braking force when the case condition v-type thrust lever, check the thrust rod bolt strength, the results showed that since the original v-type thrust rod bolts fastening bolt break due to insufficient strength, combined with thick gasket locking principle, to determine the improvement program, the upcoming v-type thrust rod fastening bolts from M20 to M22, after casting the beams and v-type thrust rod fastened at increased 45mm thick washer solve bolt break and loose problems,users actually through the practical use verification of user and a comprehensive 10000km road test, get a good improvement effect, reducing the user complaints and the economic losses.

bolt fracture; bolt losse; v-type thrust rod; stress analysis; strength verification

U463.2

A

1671-7988(2015)05-101-03

楊銀輝，碩士研究生，主要從事商用車底盤懸架系統(tǒng)設(shè)計，就職于陜西重型汽車有限公司。