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汽车底盘用不同螺栓防松结构的振动试验分析及应用

发布时间:2019-03-14 09:44:00

来源:GAF螺丝君

作者:胡娜1

    分析了汽车底盘用高强度螺栓不同防松结构的机理,通过对其进行Junker横向振动试验对比分析,发现预置转钜螺母不具备振动防松性能,得到***螺母和楔形防松垫圈的最小防松预紧力,并通过实例应用证明了实验数据的准确性,对螺纹防松设计具有参考价值。 

    螺纹紧固件具有联接力大、结构紧凑、便于拆卸等特点,在车辆结构联接中被广泛的应用。然而螺纹联接一旦失效,轻则结构损坏,重则发生安全事故。 

    螺纹松动是螺纹联接失效的主要形式之一,国内外专家学者在该领域进行了大量的研究和探索。候世远等总结了螺纹联接松动的研究现状及存在的问题,影响螺纹联接松动的因素非常多,主要包括螺栓张紧力、工作载荷(形式、频率、幅值)、工作温度、各种结构形式和尺寸、结构材料、结构表面状态(摩擦系数、粗糙度)。 

    其中最有影响力的研究是由Junker在1969年提出了一种理论,Junker发现横向振动比轴向载荷更能引起螺纹松动,并设计了如今仍被广泛应用的Junker横向振动试验机(图1)。 

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图1Junker横向振动试验机 

    本文介绍了汽车行业几种常见螺纹防松措施,利用Junker横向振动试验机,对不同螺纹防松结构进行大量的对比试验和调试试验,并根据试验数据进行实例应用,验证了试验数据的正确性。 

    1.不同螺纹防松结构的防松原理介绍 

    针对螺纹松动问题,学者和工程师发明设计了不同的螺纹防松措施,但在工程实际应用中不同螺纹防松措施的效果也参差不齐。 

    传统的防松形式主要有三类:摩擦防松(弹簧垫圈、预置扭矩锁紧螺母、螺纹涂胶等)、机械防松(开口销、串联钢丝等)、破坏螺纹副运动关系(冲铆、焊接螺母等)。 

    传统的摩擦防松受接合面处摩擦参数变化的影响而导致其稳定性较差,而机械防松和破坏螺纹副运动关系的缺点是安装效率低,操作烦琐,不便于拆卸和重复使用,使其应用范围有局限性。 

    对于汽车行业大批量流水线的生产方式,螺纹紧固件应具备装配效率高、操作简单、便于拆卸、防松可靠的要求。 

    目前被广泛应用于汽车行业的螺纹防松措施有:标准细牙螺纹凸缘螺母、预置转矩锁紧螺母、***防松螺母、楔形防松垫圈等。 

    1.1标准细牙螺纹凸缘螺母 

    根据螺纹的几何结构原理和受力分析可知,标准螺纹的松动扭矩的简化计算公式为: 

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    其中,FM为螺栓张紧力,d2为螺纹中径,μG为螺纹摩擦系数,μK为螺栓头部支撑面摩擦系数,DW为紧固件支撑面外径,DI为被联接件最大孔径,P为螺距。 

    在螺栓张紧力FM不变的情况下,螺纹螺距越小、紧固件支撑面外径越大,需要外部提供的松动转矩越大,螺纹抗松性能越好。因此粗牙螺纹相比细牙螺纹、六角螺母相比凸缘螺母更容易松动。 

    1.2预置转矩锁紧螺母 

    预置转矩锁紧螺母种类繁多,压扁收口螺母(图2)、尼龙螺母(图3)均属此类。其原理均是额外增加螺纹处的摩擦力矩,从而使螺母具有锁紧防松功能。 

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图2压扁口螺母图3尼龙螺母 

    1.3***防松螺母 

    ***防松螺母(图4)与标准螺纹螺母的主要结构区别是在内螺纹的大径上有一个大约30°的楔形斜面。当扭紧螺纹副时,标准外螺纹的牙尖就紧紧地顶在***内螺纹的楔形斜面上,在相同的轴力情况下,***内螺纹比标准内螺纹产生的更大径向压力。 

    因此,***螺纹克服了由横向振动造成标准螺纹松动的主要原因,即螺纹间的横向运动;同时改善标准螺纹各牙受力不均匀的状况(图5)。 

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图4***螺纹结构 

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图5***螺纹与标准螺纹受力对比 

    1.4楔形防松垫圈 

    楔形防松垫圈(图6)是由一对有相互咬合的齿面的垫圈构成的,两片垫圈完全相同,其外侧是带有方向性的放射状的密集小齿面,内侧为较大的斜齿面。 

    当螺纹紧固件装配扭紧后,楔形防松垫圈利用其较高的硬度将外侧带有放射状的小齿面的方向与卸载方向相反,可以牢固的咬合住螺纹紧固件,因此外界动载荷引起的松动仅在两片垫圈的楔形表面之间产生位移。 

    由于相互咬合的内侧斜齿面角度“α”大于螺纹的升角“β”,因此垫圈沿厚度方向扩张的距离大于沿螺栓轴向可产生的位移,螺栓被拉长,产生更大轴力,防止螺栓或螺母的旋转松动。 

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图6楔形防松垫圈的结构和防松原理图 

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图7试验装配简图 

    2.横向振动试验 

    根据Junker横向振动试验机,对不同螺纹防松结构进行对比试验和调试试验,振动试验的装配简图见图7,螺栓端固定,螺母端自由,下述试验均是针对螺母的防松性能试验,试验执行标准DIN65151-2002或GB/T10431-2008。 

    2.1不同螺纹防松结构的横向振动对比试验 

    表1试验条件 

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图8试验方案和螺栓轴力特性曲线 

    特殊说明:方案e和f中分别有1和2组出现松动,是由于楔形防松垫圈外齿面未能嵌入到试验垫片(模拟基材)表面(图9),但是可以嵌入螺母凸缘面。 

    10级螺母硬度范围295-353HV,试验垫片45钢调质的硬度范围是302-350HBW,试验垫片在进行实验前并没有逐一进行硬度检测,可以推断试验垫片的硬度超出350HBW,甚至大于楔形防松垫片的表面,因此出现螺纹副联接松动。这也符合楔形防松垫圈的使用条件,即紧固件和基材的硬度低于楔形防松垫圈的硬度。 

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图9方案e和f中松动照片 

     

    从图8实验结果可以推断,在相同的横向振动条件下(频率30Hz、振幅±0.7mm)。 

    1)标准细牙螺纹凸缘螺母的残余轴力完全残余轴力完全消失,不具备抗振防松性能。 

    2)六角尼龙锁紧螺母和三点变形金属锁紧螺母剩余较小的残余轴力,说明这两种预置转矩螺母不具备抗振防松性能,但是能起到“防脱”的作用。 

    3)***螺母的轴力也出现大幅度的衰减,残余预紧力低于38%,即松动。但是在相同的振动条件下,***螺母的轴力衰减速度比标准螺纹螺母慢,说明***螺纹抵抗横向振动的性能优于标准螺纹。 

    4)楔形防松垫圈是利用机械结构防松,不受润滑影响,在匹配使用合理的情况下更加可靠安全。 

    2.2***螺母横向振动调试试验 

    从表2可知,在频率12.5Hz、振幅±1.6mm的振动条件下,***螺母不出现松动的最小初始预紧力为67kN左右,以此条件后续又进行了5组强化试验(图10a),同时与标准细牙螺纹凸缘螺母(图10b)进行对比。可见,***螺母的抗振防松性能必须保证合适的预紧力。 

    从图8d可知,***螺母在初始预紧力70kN、频率30Hz、振幅±0.7mm的振动条件下出现松动;然而其他条件不变,将频率降低为25Hz,振动1000次,***螺母没有松动。 

    Junker在其实验中并没有发现螺栓松动的速度与振动频率有明显的关系;然而Ⅴinogradov和Huang研究发现,在某些特定的频率和振幅的动态激励下,松动可能会发生。 

    实际车辆结构承受的载荷频率小于试验频率30Hz,说明M16X1.5(10级)的***螺母在67kN的预紧力下,能够抵抗大多数频率下的横向振动引发的螺纹自松动。 

    表2试验条件及结果汇总 

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图10振动特性曲线 

    3.应用举例 

    某重卡后平衡悬架的主要部件(如大支架、推力杆)通过M16×1.5(10.9级)的高强度螺栓和普通凸缘螺母与车架或车桥相连,经常出现螺纹松动问题。该部件承载交变载荷和振动,试验测得其固有频率为10Hz左右。 

    为了提高后悬架的联接可靠性,根据试验测得的***螺母和楔形防松垫圈的防松最小初始预紧力FMmin分别为67kN和45kN,以此条件进行螺纹防松设计。 

    参考德国工程师协会技术标准VD2230-1,螺栓旋转裝配时,对于最大裝配预应力σredmax而言,通常取规定非比例伸长应力RP0.2min的90%。利用SCHATZ螺栓紧固分析系统测得***螺母或者匹配楔形防松垫圈的标准螺母的螺纹摩擦系数μG的范围为0.08--0.14。按照下式计算最大装配预紧力FMmax为129kN。 

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    其中,规定非比例伸长应力RP0.2min=940MPa,螺纹应力截面积As=167mm2,螺纹中径d2=15.026mm,应力截面积直径ds=14.593mm,螺纹螺距P=1.5mm,螺纹摩擦系数μGmin=0.08。 

    扭紧系数αA被定义为最大和最小安装预紧力的比值,即αA=FMmax/FMmin。 

    表3装配工艺对比 

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    同时按照表3进行装配,两种方案均具有良好的防松可靠性,并通过实车30000km坏路的可靠性试验。 

    从表3可总结及展望知,相比***螺母,楔形防松垫圈对装配工具的精度要求更低,具有更强的适应性。但是,楔形防松垫圈不宜用于被联接件表面不允许破环的场合。 

    4.总结及展望 

    基于Junker横向振动试验,针对重卡常用高强度螺栓M16×1.5(10.9级)的5种不同防松措施进行了对比测试,得知标准螺纹的预置转矩螺母防松性能不可靠,只能起到“防脱”作用;获得了***螺母和楔形防松垫圈抵抗横向振动松动的最小初始预紧力分别为67kN和45kN。 

    此数据对工程应用具有较大的参考价值,可以作为螺纹防松设计的依据,保证产品设计的可靠性。但是该数据不适用于被联接件为铝合金、复合材料等较软材质的螺纹防松联接。 

    同时可以进一步研究的内容 

    1)标准细牙螺纹凸缘螺母在较高预緊力下抵抗横向振动的最小值。 

    2)楔形防松垫圈的原材料、冲压、热处理等工艺研究。 

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