汽車零部件結構對連接緊固的影響

孟武功

(舟山市7412工廠，浙江舟山 316041)

汽車零部件結構對連接緊固的影響

孟武功

(舟山市7412工廠，浙江舟山 316041)

用列舉實例的方式探討和分析了一些汽車零部件在結構、連接、定位與驅動方面的原理缺陷，也給出了一些改進建議。

汽車零部件；結構；連接；定位

0 引言

近十幾年來汽車在中國得到較快的發展，汽車工業在我國國民生產總值中所占的比例越來越高，其帶動作用也越來越明顯。但是我國的汽車設計與制造相比歐美汽車大國，設計能力和制造水平還有待提高，通過研究和學習別人的技術來提高我們的能力是一條必由之路。近年來，國內外新的車型不斷涌現，就汽車產品結構與聯結的設計來說也還有許多值得商榷之處，結構方面存在一些瑕疵也就在所難免。文中用實例指出幾處值得大家商榷的結構，以期不斷提高我國汽車零部件的設計水平。

1 結構所引發的思考

對于一些從事與汽車設計制造相關的技術人員，應該十分熟悉下面的一些結構，提供3個實例供大家參考。

(1)VVT類或VANOS的鏈輪與主體的聯結方式；

(2)變速器殼體聯結法蘭方式；

(3)增壓器殼與機體的連接或與歧管、進排氣管的定位方式。

這些連接是否合理？一個螺栓要起到定位、連接作用，既受拉又受扭剪，且不說一個普通螺栓，就是專用件也不一定可以勝任。因為，一般的產品并不能如GB27之類的產品有精度較高的軸頸，同時又兼備高的抗拉強度，這樣的一個產品最后能否很好地完成設計者賦予它的應有的使命？看看下面的實例分析。

1.1 VVT類或VANOS的鏈輪與主體的聯結方式

從圖1—2中可以看到齒輪是比較薄的，從圖2中還可以看到有一個斷掉的螺釘以及兩個斷在孔中的螺釘。

圖1 原理圖

圖2 實例件圖片

類似于VVT類機構位于發動機前端，與進、排氣凸輪軸相連，其外殼上的固定螺栓疲勞強度等是否能滿足高速運轉的需求？在發動機運作過程中，固定螺栓如果出現斷裂，會導致VVT機構密封性出現異常或失效，并進一步影響發動機配氣系統，嚴重時發動機會因此而無法啟動，存在安全隱患。

對于一般汽車用戶來講，沒有幾個清楚機構原理，更不了解這些螺栓的工作情況了，尤其是現在一些VVT類機構里用的螺栓的材質是鋁合金，這些螺栓身兼多職，本身擺動轉子就不是等分的，所以螺栓的安裝孔也不是等分的，要安裝上去就要有一定的間隙，要不然就要干涉，那么這些間隙在運動時起了什么作用？附加振動載荷。螺栓本身可以起緊固作用，也可以起傳遞扭矩作用，而兩者結合的話，它們自身的強度是否是原設計時已考慮過的？如果并非原設計考慮范圍，那結果大家就可以想到了。

1.2 變速器殼體聯結法蘭方式

圖3是某發動機原理圖。

圖3 某發動機圖驅動盤局部圖

這些位置的緊固件在這里也是身兼多職，受力復雜，況且所受的一般還是交變載荷，疲勞將是它的隱患。

1.3 渦輪增壓器的結構

圖4為實際產品結構剖開圖，圖5為剖開原理圖，由圖中可以看到產品兩端的不同之處在于實際是沒有止扣的，而原理圖上是有止扣的。

另外還有一些渦輪增壓器與機體的連接方式有問題，在一個四方座的4個角上有4個螺栓或螺柱，沒有定位，結果經常出現松動。跟前面分析的情況類似，4個螺栓要肩負約束3～4個自由度的功能，那么它能勝任嗎？

圖4 渦輪增壓器實際圖

圖5 渦輪增壓器原理圖

2 分析與計算

2.1 自由度

下面按六點定位原理來解析實例一，如VVT或是類似機構的齒輪與軸的配合按約束原理可以約束2個點，齒輪側面與擺動轉子之間應該算是平面接觸，在定位原理中按3個點計算，也就是說6個點中還有1個點是沒有被定位的。

按自由度來計算：1個平面副、1個轉動副，按照機構自由度的計算公式得到：

n=6-1×3-1×2=1

(1)

2.2 強度

由上面的分析可知機構這時還有一個自由度沒有被約束，它就是繞中心軸旋轉的自由度，這個任務必須由螺栓來承擔。可是由于系統的制造誤差，4顆螺栓不可能同時承擔起這個任務，只能有1個螺栓承擔這個任務。如果不考慮螺栓本身的扭矩，只考慮純剪切，這個螺栓所受的應力如式(2)；

(2)

式中：F為螺栓的預緊力；AC為螺栓的應力面積；τ為純剪切應力。

(3)

將式(3)代入式(2)得到：

一是成立了全面深化改革領導小組和改革辦公室，研究制定并下發了《中國石油全面深化改革實施意見》《中國石油“十三五”改革專項規劃》《中國石油混合所有制專項改革方案》等綱領性文件，指導和規范中國石油深化改革，尤其是混合所有制改革的總體設計和規劃。

(4)

式中：MB為VVT中鏈輪的扭矩。

實際情況比這個還要復雜得多，因為螺栓這時處于一種相當于一個懸臂梁的情況，所以，除了一個純剪切還要外加一個彎矩MX，MX會產生一個附加拉應力σm：

(5)

圖3和圖4中的驅動盤螺栓的受力還要復雜一些，所以它就存在安全隱患。

2.3 松動

上面那些緊固件的使用條件比GB/T 10431-2008《緊固件橫向振動試驗方法》中的條件還要嚴酷，因為試驗中的條件只是一個橫向坐標移動，但是上述實例中的許多產品是在兩個以上的自由度中移動，無形中為松動提供了有利條件。

3 解決的途徑

對于汽車設計作者沒有經驗，但對于機構及結構件的設計作者有豐富的經驗。根據結構件及機構設計原則，設計一般不要出現過定位，當然也不要出現欠定位或是無定位現象。

可能會有一些相關人士提出反對，因為這會增加成本。首先，有些地方即便是加了一些附加定位，其實并不一定就要增加經濟成本；再者，不能只算眼前的經濟成本，萬一因一些機構出現問題而要召回，那就不僅僅是經濟損失的問題，還涉及法律、企業形象等方面。

在VVT等機構中增加一個定位銷，這樣的結構在產品結構設計中常常采用，復雜程度主要看具體的產品和設計者的經驗與要求。盡管增加了一點小的成本，但是定位的準確性提高了，裝配也比較方便，所以，無論在原理上還是在裝配上都是有益的。

(2)增加擋塊

就像渦輪增壓器的原理圖所示，加入止扣或是擋塊，傳遞扭矩有了保障，可靠性也大大提高，質量成本大幅下降。

(3)消除間隙

圖6所示的這種帶有變形套的螺栓為實現零間隙裝配提供了一種可能，一些無法用加工完全確定的配合間隙用這種方法可以確保裝配的準確性。如圖7所示：螺紋旋入導頸進入過盈狀態；隨著螺紋進一步旋入，導頸也進一步擠壓中間套，中間套變形后填補了螺栓及上下裝配體的空隙。這種套還可以起到承受剪切的作用，提高了螺栓的可靠性。

圖6 可消除間隙的螺紋與套

圖7 消除間隙裝配原理圖

4 結束語

通過3種產品的實際結構揭示了部分汽車零部件設計中一些不大引人注意的地方，分析了在定位與驅動方面的原理缺陷，給出了強度計算公式，警示出一些隱患，提供給相關工作者一些可參考的解決方案。這些方案可以大幅度提高整車系統的安全性與可靠性。

【1】李壯云.中國機械設計大典[M].南昌:江西科學技術出版社,2002.

【2】秦大同,謝里陽.機構設計[M].北京:化學工業出版社,2013.

【3】謝睿.機構可動性設計缺陷辨識模型與修復方法研究[D].成都:電子科技大學,2015.

【4】林曉偉,劉娜,林曉丹.避免結構設計缺陷的幾點建議[J].中國電子商務,2011(6):324-324.

Influence of the Structure of Auto Parts on the Connection Fastening

MENG Wugong

(Zhoushan 7412 Factory,Zhoushan Zhejiang 316041,China)

By giving examples,the defects of some auto parts in the structure,connecting,positioning and driving principle were discussed and analyzed, some improvement suggestions on these aspects were also given.

Auto parts; Structure; Connect; Location

2016-12-30

孟武功，高級工程師，從事汽車零部件冷成形工藝與模具設計與研究，側重連接技術及三維模擬技術。E-mail：mwg555@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.014

文獻標志碼：A 文章編號：1674-1986(2017)04-055-04