某車型擺臂與副車架連接前點(diǎn)異響問題研究

李發(fā)喜 覃佳亮 覃雄臻 仝家鵬

摘 要：該文針對(duì)公司某車型擺臂與副車架連接前點(diǎn)出現(xiàn)的異響問題，通過CAE仿真分析、扭矩檢查以及路試試驗(yàn)，找出了異響問題的根本原因是螺栓扭矩衰減，導(dǎo)致預(yù)緊力不足，螺栓松動(dòng)，并通過采用扭矩-轉(zhuǎn)角法提高了螺栓預(yù)緊力，成功解決了異響問題。

關(guān)鍵詞：異響問題；螺栓預(yù)緊力；扭矩-轉(zhuǎn)角法

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

某車型在路試過程中擺臂與副車架連接前點(diǎn)出現(xiàn)異響，進(jìn)行扭矩檢查發(fā)現(xiàn)，擺臂與副車架前點(diǎn)連接螺栓扭矩衰減嚴(yán)重，連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該文針對(duì)此問題，利用ADMAS進(jìn)行了各工況下的動(dòng)力學(xué)仿真，選擇其中受力最大的工況進(jìn)行螺栓校核計(jì)算，找到了異響的原因，進(jìn)行改進(jìn)。

1 螺栓扭矩分析

1.1 螺栓受力分析

利用ADMAS仿真軟件對(duì)擺臂與副車架連接前點(diǎn)在各種工況下的受力情況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到其中最大受力工況為過單側(cè)深坑（左側(cè)），此時(shí)Fx=2681N，F(xiàn)y=-18010N，F(xiàn)z=3394N，合力FM=18522.2N，Tx=-24544N· mm ，擺臂中間鋼套半徑為12 mm。最大工況下，螺栓受力的合力FM與螺栓軸線的夾角為82.3°，沿螺栓軸向和徑向分解，有：

1.2 螺栓預(yù)緊力計(jì)算

被連接件結(jié)合面可能在橫向載荷的作用下產(chǎn)生滑移，所以結(jié)合面間的摩擦力必須大于橫向載荷才能保證不發(fā)生滑移，由此可得保證被連接件不滑移的條件。

為了使連接件結(jié)合面貼合，需要額外施加一個(gè)用來避免連接件出現(xiàn)間隙的力，此力可由被連接件剛度和間隙大小計(jì)算得到，經(jīng)計(jì)算，保證被連接不發(fā)生滑移所需的最小預(yù)緊力為82 776 N。

1.3 扭矩計(jì)算

擰緊記錄顯示扭矩法擰緊扭矩平均值為121 Nm ，對(duì)應(yīng)的初始預(yù)緊力平均值為57 552 N，小于該點(diǎn)所需的最小預(yù)緊力，需提高扭矩或改進(jìn)擰緊工藝以提高初始預(yù)緊力。

按不滑移條件計(jì)算得到的最小預(yù)緊力為82 776 N，計(jì)算滿足不滑移條件所需的扭矩和屈服扭矩，判斷扭矩法是否滿足條件，螺栓基本尺寸數(shù)據(jù)見表1。

T滑移>T屈服，按照扭矩法無法保證最小連接裝配預(yù)緊力，需通過試驗(yàn)確定扭矩+轉(zhuǎn)角工藝參數(shù)，保證裝配預(yù)緊力。

2 扭矩-轉(zhuǎn)角法

扭矩-轉(zhuǎn)角法是一種較優(yōu)化的扭緊方式，它可以使螺栓擰緊到超彈性區(qū)域內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓性能的充分利用，同時(shí)還能夠精確地控制裝配扭矩。

扭矩-轉(zhuǎn)角法是在達(dá)到規(guī)定的扭矩之后，再將螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，盡管螺栓的摩擦系數(shù)或多或少地會(huì)影響裝配扭矩所產(chǎn)生的“預(yù)緊力（扭矩階段）”，但是在彈性形變區(qū)域內(nèi)，在彈性模量保持恒定的情況下，螺栓的軸向預(yù)緊力大小與其伸長量成正比，而螺栓的伸長量又與螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)角度成正比，所以通過控制擰緊轉(zhuǎn)角可以達(dá)到控制預(yù)緊力的目的，把握螺栓的伸長量就可以直接地調(diào)控螺栓軸向預(yù)緊力的大小，使摩擦系數(shù)對(duì)預(yù)緊力偏差的影響降到最低，達(dá)到控制裝配水平的要求。

螺栓的軸向預(yù)緊力在螺栓發(fā)生塑性變形后就不再與伸長量成正比。但是，只要螺栓的形變保持在屈服點(diǎn)上下的超彈性區(qū)域，螺栓的軸向預(yù)緊力就會(huì)比較穩(wěn)定，同時(shí)極大地提高了螺栓的利用效率。因此，采用扭矩-轉(zhuǎn)角法可以得到數(shù)值較大且離散程度較小的軸向預(yù)緊力。

2.1 扭矩-轉(zhuǎn)角法與扭矩直接控制法對(duì)比

如圖2所示，圖2（a）為扭矩控制法，圖2（b）為扭矩-轉(zhuǎn)角法。Ⅰ、Ⅱ分別為同一規(guī)格螺紋連接的擰緊特性曲線，采用扭矩控制法時(shí)，施加T1擰緊扭矩后，分別產(chǎn)生預(yù)緊力F'與F''，預(yù)緊力誤差ΔF=F'-F''。圖2（b）中，先用貼緊扭矩T0預(yù)擰緊，預(yù)緊力的誤差為ΔF0，然后均在起始扭矩T0的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)θ角，與曲線Ⅰ、Ⅱ交與c、d兩點(diǎn)，此時(shí)的預(yù)緊力之差為ΔFφ，由上述理論分析可知，采用扭矩-轉(zhuǎn)角法后，預(yù)緊力之差為ΔFφ=ΔF0，明顯小于扭矩控制法產(chǎn)生的預(yù)緊力之差ΔF。

2.2 扭矩轉(zhuǎn)角法的擰緊力矩計(jì)算

螺栓在擰緊過程中相當(dāng)于串聯(lián)2個(gè)彈簧。對(duì)于普通螺栓，其剛度的計(jì)算公式為：

如果在彈性區(qū)域擰緊時(shí)，未能達(dá)到所需預(yù)緊力，就需要將螺栓擰緊到塑性區(qū)域，螺栓擰緊至塑性區(qū)域后，螺栓材料和載荷將決定屈服緊固件軸力，此時(shí)螺栓受到復(fù)合載荷作用。

扭矩-轉(zhuǎn)角法可將螺栓擰緊到超彈性極限區(qū)域內(nèi)，如圖3所示。

2.3 扭矩-轉(zhuǎn)角法的起始扭矩和轉(zhuǎn)角

要確定扭矩-轉(zhuǎn)角法的起始扭矩和轉(zhuǎn)角，需先確定貼合扭矩和屈服點(diǎn)，貼合扭矩Tfs取試驗(yàn)曲線中貼合點(diǎn)（直線段開始點(diǎn)）扭矩的最大值，再取所有試驗(yàn)樣件數(shù)據(jù)中的最大值，加上3倍試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差。在彈性區(qū)域內(nèi)，以貼合扭矩為起始的直線段的中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的扭矩為起始扭矩Tb，并取所有試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)的均值。

屈服點(diǎn)Tfy由扭矩斜率確定。

取所有試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)計(jì)算的均值；以起始扭矩為起點(diǎn)，至試驗(yàn)曲線屈服點(diǎn)的角度為緊固轉(zhuǎn)角，緊固扭矩斜率關(guān)系如圖4所示。

3 扭矩-轉(zhuǎn)角法提高預(yù)緊力效果分析

對(duì)擺臂與副車架連接前點(diǎn)螺栓進(jìn)行扭矩-轉(zhuǎn)角法試驗(yàn)，在試驗(yàn)曲線彈性區(qū)域內(nèi)，直線段中點(diǎn)對(duì)應(yīng)扭矩為起始扭矩，并按所有樣本的均值進(jìn)行確定；以起始扭矩為起點(diǎn)，至試驗(yàn)曲線屈服點(diǎn)的角度為緊固轉(zhuǎn)角，過屈服擰緊曲線如圖4所示。經(jīng)過多組試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)異響點(diǎn)使用90 Nm+180°的擰緊工藝進(jìn)行擰緊可以達(dá)到所需預(yù)緊力，得到的扭矩和預(yù)緊力數(shù)據(jù)見表2。

試驗(yàn)結(jié)果顯示90 Nm+180°扭矩-轉(zhuǎn)角法可以得到84 302 N的預(yù)緊力， 高于保證被連接不發(fā)生滑移所需的最小預(yù)緊力82 776.6 N，且離散程度較小，而扭矩法擰緊扭矩平均值為121，對(duì)應(yīng)的初始預(yù)緊力平均值為57 552 N，使用扭矩-轉(zhuǎn)角法得到的預(yù)緊力明顯提高。使用扭矩-轉(zhuǎn)角法90 Nm+180°擰緊工藝擰緊試驗(yàn)車異響點(diǎn)螺栓后進(jìn)行路試試驗(yàn)，路試過程中擺臂與副車架連接前點(diǎn)不再出現(xiàn)異響。

4 結(jié)語

在路試過程中擺臂與副車架連接前點(diǎn)出現(xiàn)異響，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)連接螺栓扭矩衰減嚴(yán)重，預(yù)緊力不足，仿真分析及扭矩核算顯示扭矩法無法保證最小連接裝配預(yù)緊力，需改進(jìn)擰緊工藝以提高預(yù)緊力，該文采用90 Nm+180°擰緊工藝的扭矩-轉(zhuǎn)角法，將異響點(diǎn)的初始預(yù)緊力提高到84 302 N，大于不發(fā)生滑移所需的最小預(yù)緊力82 776.6 N，經(jīng)路試驗(yàn)證，異響問題得到解決。

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