重卡變速器中大扭矩定扭反力問題的研究和應用

于明

重卡變速器中大扭矩定扭反力問題的研究和應用

于明

（陜西法士特齒輪有限公司汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710077）

文章通過對法蘭盤凸緣螺母處機械結構進行分析，對電動定扭設備擰緊原理進行深入研究，對法蘭盤凸緣螺母在定扭擰緊時的受力情況建立力學模型，得到了重型商用車變速器法蘭盤定扭擰緊時的受力情況，從而給出最為經濟和穩定的抗反方案，為以后法蘭盤定扭推廣打下了理論基礎，并給出了法蘭盤凸緣螺母定扭擰緊時的反力裝置模型，簡化了法蘭盤定扭擰緊的反力裝置結構，并降低了法蘭盤定扭方案的難度和成本。

法蘭盤凸緣螺母；受力分析；力學模型；反力裝置

1 背景

螺栓連接在機械裝配領域是一種最為普遍的連接方式，因為其應用簡單，擰緊可靠，成本低、可重復利用而被廣泛應用。重卡變速器輸出法蘭是用凸緣螺母將法蘭盤和輸出主軸進行連接，而從將扭矩輸出的，如果凸緣螺母未擰緊松動會導致較為嚴重的質量事故，故此處的凸緣螺母的防送非常重要，此處螺栓除了采用尼龍防送外，最主要的防送方式還是足夠的夾緊力，為了保證夾緊力，本公司引進了電動定扭設備，然而由于此處擰緊力矩較大，故抗反防轉就成了整個問題的關鍵。

本文就是通過對變速器輸出法蘭盤凸緣螺母處的結構進行分析，通過對電動定扭設備進行深入研究，建立定扭擰緊時的力學模型，從而揭示法蘭盤凸緣螺母定扭擰緊時反力情況的本質，從而對生產中定扭方案進行指導，建立最簡化的康反防轉機械模型，為以后大扭矩定扭設備的推廣做好理論儲備。

2 法蘭盤凸緣螺母的結構分析及力學建模

2.1 法蘭盤凸緣螺母處結構圖

變速器輸出法蘭盤和副箱輸出軸是花鍵連接，通過凸緣螺母和輸出軸軸端螺紋連接將法蘭盤鎖緊。然而，輸出軸在螺母擰緊時處于旋轉方向自由狀態，輸出軸帶動法蘭盤轉動，故如果不能限制輸出軸即輸出法蘭盤隨螺母擰緊時轉動而轉動，那么螺母很難擰緊，且大扭矩擰緊必須有反力裝置謝力，才不至于在擰緊操作過程中對操作人員產生傷害。

圖1 法蘭盤凸緣螺母處機構圖

在沒有實現定扭擰緊之前，法蘭盤擰緊使用沖擊扳手擰緊，需要不斷的停頓，多次擰緊才能達到擰緊的效果，而如果使用定扭工具，則沒有辦法規避擰緊時法蘭盤的轉動問題和隨之產生的反力。

2.2 擰緊時的力學建模及受力分析

定扭工具內部結構相當復雜，在此不做敘述，根據對國際一流大扭矩定扭擰緊設備進行研究分析，定扭擰緊設備可以簡單的分為減速裝置、擰緊裝置、控制裝置，有的廠家將減速裝置內置與槍體內，從內部看是一體的，而簡單的將槍體我們可以看到擰緊槍體有固定部分和旋轉部分，且兩部分由內部特殊結構相連接組成。

圖2 力學模型

如圖2所示，在定扭擰緊過程中，擰緊設備旋轉部分產生擰緊力矩N1，旋轉部分通過四方和套筒固連，而套筒抓緊凸緣螺母的外六方，于此同時也和旋轉部分固連于一體。此時槍體的擰緊部分+套筒+凸緣螺母固化為一體，為轉動部分，力矩為N2。而系統的另一端，輸出主軸通過花鍵連接與法蘭盤成為一體，與槍體固定部分，與通過花鍵連接的反力裝置，通過銷軸和法蘭盤的孔連接聯動，故此時槍體固定部分+法蘭盤+輸出主軸固化為一體，為靜止部分，此部分的產生反力距N3。此過程將反作用力轉化為反力裝置上的銷軸的剪切力，將反力抵消在設備內部，最終起到了防轉抗反作用，理論計算如下。

經過分析可知：

N= N=- N（1）

故可以根據力矩：

（2）

F=N/M （3）

其中：N-轉動力矩；

F-力；

M-法蘭盤連接孔的分布圓半徑。

求出銷子所需要承受的剪切力，再根據工程力學分析可求出銷子的直徑，給出足夠的安全余量，既可以通過簡易的機械結構，消除大扭矩定扭產生的反力。

3 反力裝置力學模型的建立

3.1 文章背景

近年來我公司著力于整體提高產品質量，公司全面推進定扭擰緊工具的推廣，而法蘭盤凸緣螺母擰緊工位是滲漏油問題、軸承質量控制、外連接部位的關鍵工位，故此處定扭擰緊技術的推廣顯得尤為重要。

根據前期的工作可知，我公司的法蘭盤凸緣螺母工位基本上已經全部實現定扭技術，但是在推廣的過程中我們發現在我們選擇任何一種定扭擰緊產品時，我們遇到的問題就是反力裝置如何設計，考慮到這一點懸掛或者支持裝置就會及其龐大和復雜。

圖3 轉機式反力裝置

如圖3為我公司某條裝配線上的法蘭盤凸緣螺母的專用定扭擰緊機，選取國際一流品牌的擰緊軸，然而整個設備占地面積大，結構復雜，機殼內每一個結構都可能成為設備的維修的風險點，而且設備整體價格昂貴。

圖4、5 立柱式法蘭盤工位定扭擰緊設備

如圖4為我公司某條裝配線上的法蘭盤凸緣螺母的設備，選取某國際一流品牌的擰緊軸。整個設備采用立柱式機械臂來抓取定扭擰緊軸槍體從而來反抗擰緊過程中所產生的反力，設備占地面積大，需要回轉的空間大，結構復雜，這個設備設計氣動控制和電控，故障點多。圖5為反力裝置負責，龐大，使用不便。

3.2 反力裝置模型

根據文章2.2所述的力學模型分析，我們可知系統定扭擰緊時產生的反力已經通過簡單的反力裝置根據定扭槍體的旋轉部分和固定部分運動相對獨立的原理抵消于系統內部，故圖2的這個系統只要采取簡單的吊裝懸掛機構進行吊裝，就可以達到抗反力的作用。

圖6 反力裝置模型

根據力學分析可知，我們在法蘭盤凸緣螺母擰緊過程中，基本的反力裝置模型如圖所示，在以后的定扭擰緊方案設計中，只要根據實際情況，選取合適的定扭擰緊工具，通過設計銷軸的尺寸來適應大扭矩定扭過程中產生的反力，便可以自行設計合理的反力裝置達到定扭控制的作用，節省成本，降低了擰緊設備的負責程度，規避了不必要的風險點。

3 小結

隨著市場對產品質量的要求不斷提升，制造業中裝配質量得要求急速提升，為了在引進先進定扭技術時不至于進行不必要的投入，需要對定扭設備的擰緊及相關原理進行深入研究，本文通過對法蘭盤凸緣螺母處的結構進行分析，建立了法蘭盤凸緣螺母定扭擰緊時的力學模型，通過分析我們了解到了在定扭過程中的力學本質，搞清楚了反力產生的原因。借此，可以了解法蘭盤凸緣螺母擰緊過程中的反力裝置起到的力學作用，最后建立簡化的反力裝置模型，為以后公司在法蘭盤定扭方案的制定上提供了理論基礎。

[1] 劉力厚,潘穎,曹麗杰.理論力學[M].北京:清華大學出版社.2016.

[2] 成大先.機械設計手冊.潤滑與密封[M].北京:化學工業出版社. 2004.

The Application Research on the Counter-Force of Fixed Torque about Heavy Truck Transmission

Yu Ming

( Fast Auto Drive Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710077 )

The article shows the most economical and stable anti-Counter-Force solution on the basis of analysis about the flange mechanism, the study of fixed equipment and building the force modle. then, the paper shows the ant- Counter- Force solution modle which solution can reduces the cost and mechanism.

Flange nut; Stress analysis; Mechanical model; Counterforce device

U463

A

1671-7988(2019)18-196-03

U463

A

1671-7988(2019)18-196-03

于明（1985-），女，碩士，裝配工藝工程師/工程師，就職于陜西法士特齒輪有限公司汽車傳動工程研究院，從事變速器裝配工藝研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.067