某輕卡雙扭桿機構扭桿力調節螺栓（螺母）強度校核計算

陳鵬飛，顧鴃，黃康

（安徽江淮汽車集團股份公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

隨著卡車運輸的普及，為了便于整車的維修和保養，目前大多數平頭載貨汽車駕駛室可向前翻轉。其翻轉機構可分為機械式、液壓式兩種。機械式翻轉主要是利用扭桿的扭轉力矩克服駕駛室的重力矩來實現的，其結構類型分為單扭桿作用和雙扭桿作用，雙扭桿翻轉機構又分為扭桿力可調節和不可調節。

文章中的輕卡采用扭桿力可調節雙扭桿翻轉機構，扭桿輸出力矩大小可通過調節螺栓來調整，從而使駕駛室翻轉舉升力在保持在合適范圍內，大大提升了駕駛室舉升輕便性。而扭桿對調節螺栓（螺母）的反作用力主要是依靠調節螺栓（螺母）的螺紋克服，螺紋的抗擠壓校核計算成為必要，在設計過程中通過對扭桿力調節螺栓（螺母）強度進行校核計算，考察設計階段調節臂的結構和螺栓選取是否合理，為后續設計優化工作提供參考。

1 雙扭桿可調機構的工作原理及受力分析

圖1中，右扭桿8一端插入右調節臂6內花鍵中，為固定端，另一端穿過左支架2與扭桿臂5花鍵連接，同理，左扭桿7一端插入左調節臂9內花鍵中，為固定端，另一端穿過右支架3與扭桿臂5花鍵連接，滾輪4與駕駛室地板縱梁連接。駕駛室在鎖緊情況下處于水平位置，此時駕駛室通過滾輪4作用于扭桿臂5上的力就會使扭桿產生扭轉，且此時扭轉的角度最大，扭桿產生的扭力矩也最大，當鎖止解除后，扭桿的扭力矩作用于滾輪，克服駕駛室重力矩，并施加較小的向上推力可使駕駛室實現翻轉。當駕駛室翻轉到最大角度時，扭桿的能量基本釋放完畢，駕駛室翻轉速度逐漸減小，輕輕上推駕駛室，依靠駕駛室支撐桿1將駕駛室鎖在最大翻轉角的位置。當放下駕駛室時，駕駛室利用自身的重力下落，其重力矩逐漸增大，滾輪對扭桿作用使其扭轉角增大，則扭力矩也增大，克服重力矩，使駕駛室的回落速度逐漸減小，向下拉動駕駛室即可使其鎖住。在駕駛室裝配之前，調節螺栓11長度可改變扭桿7工作角度，即改變扭桿7最大輸出力矩，從而使駕駛室翻轉舉升力在保持在合適范圍內，大大提升了駕駛室舉升輕便性。

圖1 某輕卡翻轉雙扭桿可調機構結構簡圖

圖2中，在駕駛室鎖止狀態，左扭桿7與左調節臂9內花鍵嚙合，對調節螺栓11（螺母10）產生反作用力F，主要是依靠調節螺栓11（螺母10）的螺紋來克服，力臂為L。

圖2 調節螺栓受力分析示意圖

2 校核計算

螺栓與螺母之間通過螺紋相互施加作用力，把螺紋牙展直后相當于一根懸臂梁，如圖3所示。通常螺母的材料強度低于螺栓，在校核螺紋強度時以螺母為考察對象。

圖3 螺母螺紋展開示意圖

2.1 螺紋抗擠壓校核

抗擠壓是指公、母螺紋牙之間的擠壓應力不應超過許用擠壓應力，否則便會產生擠壓破壞。設軸向力為 F，相旋合螺紋圈數為z，則驗算計算式為：

其中：

σp：擠壓應力，單位MPa；

[σp]：許用擠壓應力，單位MPa；

F：軸向力，單位N；

d2：外螺紋中徑，單位mm；

z：螺紋圈數；

h：螺紋工作高度，單位mm；

p：為螺距，單位mm，h與p的關系為：

梯形螺紋：h=0.5p

矩形螺紋：h=0.5p

鋸齒螺紋：h=0.75p

查閱圖紙得扭桿的扭矩為 1537N·m，扭桿臂有效長度為L=60mm；該扭桿調節螺栓/螺母為Q151B1450TF61/Q341 B14，查閱標準件手冊得知d2=13.026mm，p=1.5mm，z=6。

σp=F/πd2hz=（1537/0.06）/（π*0.013026*0.541*0.0015*6）

=25616.67/（π*0.013026*0.541*0.0015*6）

=128.56（MPa）

螺紋的許用擠壓應力[σp]=σs/Sp=333.3（MPa）＞128.56（MPa）

其中：

σs：螺母的材料屈服極限，單位 MPa，查閱資料取500MPa；

Sp：安全系數，查閱資料，控制預緊力時取1.5。

綜上，螺紋受擠壓應力在許用范圍內。

2.2 螺紋抗剪切強度校核

螺紋受剪切強度計算公式為：

其中：

τ：剪切應力，單位MPa；

[τ]：許用剪切應力，單位MPa

F：軸向力，單位N；

D：螺紋大徑，單位mm；

z：螺紋圈數；

b：螺紋牙底寬度，單位mm，b與p的關系為：梯形螺紋：b=0.634p；

矩形螺紋：b=0.5p；

鋸齒螺紋：b=0.736p：

普通螺紋：b=0.75p。

對于鋼質材料，一般可以取[τ]=0.6[σ]，[σ]為材料的許用拉應力，[σ]= σs/Sτ，單位MPa，其中σs為屈服應力，單位MPa，Sτ為安全系數，查閱資料，控制預緊力時取1.5。

扭桿力調節螺栓配合螺栓大徑D=14mm，則：

τ=25616.67/（π*0.014*0.75*0.0015*6）=86.29（MPa）

[τ]=0.6*500/1.5=200（MPa）＞86.29（MPa）

綜上，螺紋受剪切應力在許用范圍內。

2.3 螺紋抗彎曲強度校核

螺紋受彎曲強度計算公式為：

其中：

σb：擠壓應力，單位MPa；

[σb]：許用擠壓應力，單位MPa；

F：軸向力，單位N；

D：螺紋大徑，單位mm；

h：螺紋工作高度，單位mm；

z：螺紋圈數；

b：螺紋牙底寬度，單位mm，b與p的關系為：梯形螺紋：b=0.634p；

矩形螺紋：b=0.5p；

鋸齒螺紋：b=0.736p：

普通螺紋：b=0.75p。

對于鋼質材料，一般可以取[σb]=1.2[σ]，[σ]為材料的許用拉應力，[σ]= σs/Sb，單位MPa，其中σs為屈服應力，單位MPa，Sb為安全系數，查閱資料，控制預緊力時取1.5。

將參數帶入公式：

σb=（3*25616.67*0.541*0.0015）/[π*0.014*（0.75*0.0015）2*6]

=186.72（MPa）

許用彎曲應力[σb]=1.2[σ]=1.2σs/Sb=1.2*500/1.5=400（MPa）＞186.72（MPa）綜上，螺紋受彎曲應力在許用范圍內。

3 結論

經過理論校核計算，某輕卡雙扭桿機構扭桿力調節螺栓（螺母）強度：螺紋抗擠壓強度 128.56MPa，抗剪切強度86.29MPa，抗彎曲強度186.72MPa，均在許用范圍內，且安全系數均在2以上，滿足強度要求。