萬向接頭力矩傳遞分析及對擰緊力矩的影響

馬璐 鄧宇 朱向忠

浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司 浙江省杭州市 310018

1 背景概述

汽車產(chǎn)品設計過程中，往往為滿足造型、結(jié)構(gòu)、性能等方面要求，部分零部件和總成在布置時犧牲了裝配空間。工藝部門在制定工藝方案時，針對此類問題，需考慮開發(fā)特殊或?qū)Ｓ玫墓ぞ?。而此類工具的引用，能否起到保障產(chǎn)品裝配質(zhì)量要求的作用，尤其是在汽車關(guān)鍵性裝配位置，需要經(jīng)過大量的裝配驗證才能下結(jié)論。本文就萬向接頭這一特殊工具，通過其力矩傳遞的理論分析和在A-11車型轉(zhuǎn)向管柱連接擰緊力矩的驗證結(jié)果，分析萬向接頭對擰緊力矩的影響。

2 萬向接頭運動分析

萬向接頭是由主動軸、從動軸、滾針軸承等部件組成（結(jié)構(gòu)類似于十字軸萬向節(jié)），從動軸通過中間軸承部件可繞主動軸轉(zhuǎn)動一定角度，實際裝配過程中，則通過這一角度來使工具獲得更大的操作空間。

工具的輸入力矩通過萬向接頭傳遞到被緊固件的輸出力矩與萬向接頭主、從動軸夾角存在什么樣的關(guān)系？具體分析如下：

2.1 萬向接頭力矩傳遞分析

如不計萬向接頭間的摩擦損失，輸入功率等于輸出功率，即：

式中：P為主動軸輸入功率，P0為從動軸輸出功率。

功率=角速度*扭矩，可得：

式中：W為主動軸角速度；T為主動軸力矩；W0為從動軸角速度；T0為從動軸力矩。

由上可知，力矩與角速度成反比。

2.2 萬向接頭角速度分析

對于萬向接頭結(jié)構(gòu)，當主動軸Ⅰ旋轉(zhuǎn)一圈時，從動軸Ⅱ也跟著旋轉(zhuǎn)一圈。若主動軸Ⅰ與從動軸Ⅱ夾角為α，當軸Ⅰ、軸Ⅱ旋轉(zhuǎn)一圈時，兩軸上的點A、B軌跡亦為一個圓，且兩圓所在平面夾角為α（如圖1）。取軸Ⅰ所在面為投影面，則A點軌跡在投影面上為一個橢圓，因軸Ⅰ、軸Ⅱ垂直，故投影面上OA與OB始終垂直（如圖2）。

圖1 主動軸與從動軸示意圖

當軸Ⅰ旋轉(zhuǎn)角度為θ，即OB1轉(zhuǎn)至OB2，則軸Ⅱ在投影面上轉(zhuǎn)過的角度亦為θ，即OA1轉(zhuǎn)至OA2。軸Ⅰ與軸Ⅱ夾角為α，若將軸Ⅱ軌跡圓調(diào)整角度α與軸Ⅰ軌跡圓重合（投影面），則軸Ⅱ上A2點在軸Ⅰ軌跡圓上的重合點為A3，OA1與OA3夾角θ0即為A1點實際轉(zhuǎn)動的角度，如圖3所示。

圖2 A、B點投影示意圖

推理可得：

由上述推導公式可得從動軸轉(zhuǎn)動角度θ0與主動軸轉(zhuǎn)動角度θ關(guān)系

等式兩邊對時間進行求導可得

圖3 軸Ⅰ軸Ⅱ運動投影圖

2.3 萬向接頭力矩與轉(zhuǎn)動角度關(guān)系分析

α是主動軸與從動軸之間的夾角，可作為常量。

當θ=900時，即主動軸轉(zhuǎn)過900，T=cosαT0，此時從動軸力矩最大；

當θ=1800時，即主動軸轉(zhuǎn)過1800，T=T0/cosα，此時從動軸力矩最?。?/p>

綜上分析可知：從動軸力矩隨主動軸轉(zhuǎn)動角度的變化而變化。

3 萬向接頭裝配力矩驗證

A-11車型試制階段發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向機連接點工具與地毯干涉，導致安裝點標準件無法緊固力矩，數(shù)據(jù)分析如圖4（工具：手動定值扭力扳手+長接桿L250mm+套筒）。

圖4 工具與地毯干涉

表1 螺栓力矩測量值對比表

工具方案：在接桿與套筒之間增加萬向接頭，緊固時工具偏轉(zhuǎn)一個角度，避免手動定值扭力扳手與地毯干涉（如圖5）。

圖5 增加萬向接頭，工具偏轉(zhuǎn)一個角度

方案驗證：取A-11車型試制階段25臺車，對每臺車萬向接頭的4個偏轉(zhuǎn)角度緊固力矩進行測量（如表1）。

由測量結(jié)果可知：

（1）萬向接頭角度小于等于150時，螺栓所得力矩平均值滿足給定力矩值要求，且最小值在理論范圍內(nèi)，萬向接頭對緊固力矩不產(chǎn)生影響；

（2）萬向接頭角度在200左右時，螺栓所得力矩平均值滿足給定力矩值要求但偏下限，且最小值小于理論值范圍并低于給定力矩值要求，出現(xiàn)力矩不合格現(xiàn)象；

（3）萬向接頭角度在250左右時，螺栓所得力矩平均值小于給定力矩值，力矩不合格，且平均值在理論值下限。

通過以上分析可知，萬向接頭使用會導致轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向機連接處出現(xiàn)力矩不合格的風險，所以增加萬向接頭方案不可行，最終只能通過變更產(chǎn)品結(jié)構(gòu)解決。

4 總結(jié)

由測量結(jié)果的分析結(jié)論可知，萬向接頭隨著偏轉(zhuǎn)角度增大，通過萬向接頭傳遞的力矩值減小，偏轉(zhuǎn)到一定角度出現(xiàn)輸出力矩值不合格現(xiàn)象，且萬向接頭的偏轉(zhuǎn)角度實際操作時無法控制，在批量生產(chǎn)中無法保障擰緊力矩的一致性、有效性。