商用車前橋制動器緊固結構優化分析

摘 要：首先理論分析緊固件在制動力（力矩）作用下承受的剪切載荷與其許用剪切載荷的匹配性；然后計算分析被聯結件松動所需的軸向力與緊固件擰緊產生的軸向預緊力的匹配性；通過計算緊固件的剪切載荷、預緊力的安全系數，評估制動器底板螺栓連接的可靠性。

關鍵詞：制動器 緊固結構優化 分析 剪切載荷 預緊力

1 緒論

經統計，一輛中重型商用汽車的單車緊固件品種數高達550種，總數量約7100件，占到汽車零部件數量的35%。汽車行業30%的維修問題也是由緊固件松脫引起的。因此，優化并減少關鍵部位使用的緊固件數量及結構，成為降低車輛維修的主要手段。

隨著我國技術進步和制造能力的不斷提升，組合集成零部件越來越被應用。因此，既經濟又可靠的聯結方式成為研發工程師迫切要研究的課題。

譬如，傳統的153型前橋總成制動器的兩件底板螺栓采用緊固螺栓結構，該緊固螺栓聯結制動器、轉向節、轉向梯形臂后使用螺母鎖死，如圖1所示。隨著轉向節集成轉向梯形臂組合產品的研發應用，如圖2所示，如何可靠的固定制動器成為車橋生產企業要解決的問題。

2 計算作用在螺紋聯結系統上的載荷

通過系統產生的載荷，分解成連接件的剪切載荷和拉伸載荷。正常工作狀態聯2 計算作用在螺紋聯結系統上的載荷

通過系統產生的載荷，分解成連接件的剪切載荷和拉伸載荷。正常工作狀態聯結件需滿足拉伸載荷為零，此處不做研究。系統載荷和剪切載荷的等效關系如圖3。

其大小分別為：

式中：——系統（或總成）載荷；

——聯結件的剪切載荷；

——聯結件的數量；

——聯結件中心相對系統軸心的半徑。

3 故障模式分析

3.1 聯結件剪斷破壞

為防止系統承受最大載荷時，因聯結件剪切破壞而導致被聯結件分離。需滿足作用在聯結件上剪切應力小于螺栓本身固有許用剪切應力。

從螺紋聯結結構可以發現，聯結件受剪切面位于螺紋區域，根據聯結件承受的剪切載荷以及剪切面的橫截面積可以計算聯結件的桿部應力。存在以下關系：

式中：——聯結件最大剪應力；

判斷可靠性條件：

當時，聯結件可靠。

3.2 滑動（或松動）破壞

只要軸向預緊力不引起被聯結件的滑動，滑動或松動就可以預防。

3.2.1 非旋轉松動量計算

聯結件與被聯結件從開始接觸到緊固結束這一過程，聯結的總彈性變形量為緊固件拉伸量與被聯結件壓縮量的和，理論上講在彈性區域內聯結件軸向預緊力與彈性變形量比值為常數。另外，因外界條件（磨損、拉伸、嵌入、內陷等）的影響，軸向預緊力還會有所降低，且存在以下比例關系：

式中：——非旋轉松動量；

——松弛系數；

——嵌入或內嵌量；

——聯結件彈簧常數；

——被聯結件彈簧常數；

對于車削件嵌入或內嵌量為被連接件接觸面的1/3。

對于聯結件、被聯結件彈簧常數，與產品材料的彈性模量、長度和截面積有關，裝配及關系如下：

式中：——聯結件材料彈性模量；

——被聯結件材料彈性模量；

——公稱直徑；

——聯結件支撐面外徑；

——被聯結件螺栓孔直徑；

——聯結件頭部尺寸，一般取0.6d；

——聯結件光桿尺寸；

——聯結件到螺母端尺寸；

——被聯結件螺紋尺寸，一般取0.7d；

——被聯結件厚度尺寸。

3.2.2 滑動所需軸向預緊力

若初始松動后的殘余軸向預緊力產生的接觸面摩擦力大于滑動力，被聯結件將不會滑移。即滿足以下條件聯結件就不會松動：

式中： ——滑移（松動）所需最小軸向預緊力；

——被連接件接觸面摩擦系數；

3.2.3 擰緊產生的軸向預緊力

軸向預緊力與其擰緊力矩、摩擦系數及規格強相關，滿足以下條件：

式中：——緊固件擰緊力矩；

——擰緊力矩系數；

——軸向預緊力。

4 新平臺前橋制動器底板螺栓設計校驗

某153新平臺前橋，客戶要求新設計轉型節集成左右臂，一體鍛打成型，導致底板螺栓結構發生變化。

主要技術參數如下表1。

底板螺栓摩擦系數；聯結件接觸面摩擦系數。

通過公式（1）、（2）計算底板螺栓的最大剪切載荷及剪切力：

最大剪切力小于螺栓許用剪應力，所以螺栓不會被剪斷。

根據公式（4）、（5）求得被聯結件及連接螺栓的彈簧常數：

通過公式（3）計算非旋轉松動量：

即滑移（松動）所需最小軸向預緊力可由公式（6）求得：

由公式（7）求得軸向預緊力之和，按螺栓擰緊力矩下限計算，其結果為：

所以，在制動器最大制動力情況下，制動器底板螺栓不會出現非旋轉松動導致的剪切失效。

5 結論

綜上所述，結合產品設計邊界所允許的幾何設計尺寸和初選螺栓性能等級，通過計算底板螺栓在剪切載荷和預緊載荷條件下的最大受力值，可以定量分析以防止緊固螺栓受剪破壞和滑移（或松動）失效。

本項目能得以成功實施，非常感謝公司外聘專家老師們給予的悉心指導，從多維度對螺紋連接可靠性設計、測試、評價進行了清晰的講解；通過實際工程技術項目的結構設計上升到理論支持，使產品一次性通過了零部件臺架和整機的路試測試，保證了153新平臺制動器連接的可靠性。該技術可推廣至具備剪切和滑移工況下的聯結可靠性分析。

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