張金樂，郭 靜，陳 娟

(中國北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

液力機(jī)械行星變速機(jī)構(gòu)渦輪軸緊固件的可靠鎖緊是保證該變速機(jī)構(gòu)正常工作的前提，但是在工作過程中外部載荷環(huán)境較為復(fù)雜，經(jīng)常承受沖擊、振動(dòng)等變載荷，而這些時(shí)變載荷是導(dǎo)致緊固件松動(dòng)的重要原因.旋轉(zhuǎn)軸類總成鎖緊螺母主要是通過施加軸向壓緊力實(shí)現(xiàn)行星變速機(jī)構(gòu)在軸上的可靠定位.旋轉(zhuǎn)軸類總成鎖緊螺母工作過程中的振動(dòng)是導(dǎo)致其松動(dòng)的重要因素.來自于發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪對、路面等傳遞過來的激勵(lì)，使鎖緊螺母總成處于動(dòng)態(tài)過渡過程.鎖緊螺母總成的外部激勵(lì)使螺紋副之間的接觸狀態(tài)以及鎖緊螺母、止動(dòng)扳墊、聯(lián)接體之間的接觸狀態(tài)不斷發(fā)生變化，螺紋副的預(yù)緊力以及各部件的應(yīng)力、應(yīng)變也在變化.螺紋軸軸向尺寸較大因而扭轉(zhuǎn)剛度較小，在發(fā)動(dòng)機(jī)的扭振作用下，預(yù)緊力會(huì)發(fā)生變化.

由于現(xiàn)代有限元軟件的發(fā)展，使得計(jì)算有限滑移和接觸問題成為可能，所以可以采用有限元法研究鎖緊螺母聯(lián)接建模和分析方法，從而對螺紋類緊固件的模態(tài)、應(yīng)力、變形等進(jìn)行確切的模擬和計(jì)算，進(jìn)而探究其緊固機(jī)理和改進(jìn)措施，避免松動(dòng)故障的再次發(fā)生［1-2］.本研究采用有限元顯式動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算緊固連接結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析緊固件松動(dòng)的原因.

1 緊固連接結(jié)構(gòu)的有限元建模

緊固連接結(jié)構(gòu)三維幾何模型由螺母、墊片、螺紋軸組成，如圖1所示.

圖1 緊固連接結(jié)構(gòu)三維模型

為了控制有限元計(jì)算模型的計(jì)算規(guī)模，螺紋軸、墊片和螺母采用八節(jié)點(diǎn)的六面體單元和六節(jié)點(diǎn)棱柱體單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分;螺母部分網(wǎng)格采用四面體單元過度.螺母有限元模型，單元數(shù)目為402362，如圖2所示;螺紋軸有限元模型，單元數(shù)目為299321，如圖3所示;墊片有限元模型，單元數(shù)目為1988，如圖4所示;緊固連接結(jié)構(gòu)整體有限元模型，單元數(shù)目為703671，如圖5所示.在螺紋軸內(nèi)表面建立SHELL163單元施加轉(zhuǎn)速波動(dòng)激勵(lì);在緊固連接結(jié)構(gòu)中心建立SHELL163單元，約束除繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度外的所有自由度.

圖2 螺母有限元模型

圖3 螺紋軸有限元模型

圖4 墊片有限元模型

圖5 緊固連接結(jié)構(gòu)整體有限元模型

2 緊固連接結(jié)構(gòu)有限元模型的邊界條件

為節(jié)約緊固連接結(jié)構(gòu)有限元模型的求解時(shí)間，將墊片及墊片與螺母接觸部分定義為彈性體，其余部分定義為剛體.墊片端面節(jié)點(diǎn)施加預(yù)緊力，在緊固結(jié)構(gòu)中心建立SHELL163單元約束除繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度外的所有自由度，并在螺紋軸內(nèi)表面建立SHELL163單元施加轉(zhuǎn)速波動(dòng)激勵(lì)，其公式為:

式中:ω0為恒定轉(zhuǎn)速幅值;A為轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅值;f為轉(zhuǎn)速波動(dòng)頻率.

本次分析的扭轉(zhuǎn)激勵(lì)曲線，如圖6所示.其中，ω0為 52.33 rad/s，A為 2.4856 rad/s，f為100 Hz.

圖6 扭轉(zhuǎn)激勵(lì)曲線

3 有限元模型計(jì)算結(jié)果

本研究主要采用有限元顯式動(dòng)力學(xué)方法，通過施加不同的初始預(yù)緊力，計(jì)算緊固連接結(jié)構(gòu)整體有限元模型在扭轉(zhuǎn)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng).提取墊片內(nèi)止動(dòng)舌與螺紋軸、外止動(dòng)舌與螺母槽的接觸力和等效應(yīng)力，以及螺母的軸向位移.在此基礎(chǔ)上分析預(yù)緊力對于緊固連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的影響.

3.1 預(yù)緊力為32.3 kN時(shí)對于緊固連接結(jié)構(gòu)的影響

圖7顯示了螺母的軸向位移幅值呈周期性波動(dòng)，其頻率間隔為100 Hz，與激勵(lì)頻率一致;螺母的軸向位移幅值隨時(shí)間逐漸增大.結(jié)果表明，在扭轉(zhuǎn)激勵(lì)作用下，緊固連接結(jié)構(gòu)具有緩慢松動(dòng)的趨勢.

圖7 螺母的軸向 (x軸)位移

圖8顯示了墊片外止動(dòng)舌與螺母槽的接觸力為0，說明墊片外止動(dòng)舌與螺母槽之間未發(fā)生碰撞.

圖8 墊片外止動(dòng)舌與螺母槽的接觸力

圖9顯示了墊片內(nèi)止動(dòng)舌與螺紋軸的接觸力為0.

圖9 墊片內(nèi)止動(dòng)舌與螺紋軸的接觸力

墊片外止動(dòng)舌編號(hào)為1696648、1696653和1696659單元的等效應(yīng)力，如圖10(a)所示.圖10(a)顯示了各單元應(yīng)力幅值都較小，1696648單元的等效應(yīng)力穩(wěn)定后，其幅值較大，且小于11 MPa.墊片外止動(dòng)舌1編號(hào)為1696713、1696718和1696724單元的等效應(yīng)力，如圖10(b)所示.圖10(b)顯示了各單元應(yīng)力幅值都較小，1696713單元的等效應(yīng)力穩(wěn)定后，其幅值較大，也小于11 MPa.

墊片內(nèi)止動(dòng)舌編號(hào)為1696796、1696801和1696808單元的等效應(yīng)力，如圖11(a)所示.圖11(a)顯示:各單元應(yīng)力幅值都較小，1696796單元的等效應(yīng)力穩(wěn)定后，其幅值較大，且小于13 MPa.墊片內(nèi)止動(dòng)舌編號(hào)為1696726、1696731和1696738單元的等效應(yīng)力，如圖11(b)所示.圖11(b)顯示:各單元應(yīng)力幅值都較小，1696726單元的等效應(yīng)力穩(wěn)定后，其幅值較大，且小于4 MPa.

圖10 外止動(dòng)舌1單元的等效應(yīng)力

圖11 墊片內(nèi)止動(dòng)舌單元的等效應(yīng)力

3.2 預(yù)緊力為3.23 kN時(shí)對于緊固連接結(jié)構(gòu)的影響

如圖12所示，螺母(參考點(diǎn)1023563，見圖5)的軸向(x軸)位移幅值呈周期性變化，其周期為0.01 s，螺母的軸向位移幅值隨時(shí)間逐漸增大.結(jié)果表明，在扭轉(zhuǎn)激勵(lì)的作用下，緊固連接結(jié)構(gòu)將逐漸松動(dòng)，松動(dòng)速度加快.

如圖13所示，墊片外止動(dòng)舌與螺母槽的接觸力穩(wěn)定后隨時(shí)間周期性變化，周期為0.01 s.由于緊固連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)，致使接觸力幅值整體變化趨勢隨時(shí)間逐漸增大.

如圖14所示，墊片內(nèi)止動(dòng)舌與螺紋軸的接觸力穩(wěn)定后隨時(shí)間呈周期性變化，其周期為0.01 s.由扭轉(zhuǎn)激勵(lì)引起的緊固連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)，將導(dǎo)致墊片內(nèi)止動(dòng)舌與螺紋軸的接觸力幅值隨時(shí)間逐漸增大.

墊片外止動(dòng)舌1編號(hào)為1696648、1696653和1696659單元的等效應(yīng)力，如圖15(a)所示。圖15(a)顯示，墊片外止動(dòng)舌各單元的等效應(yīng)力穩(wěn)定后，隨時(shí)間周期性變化，其周期為0.01 s.由于緊固連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)，其應(yīng)力幅值隨時(shí)間逐漸增大，其中1696648號(hào)單元變化趨勢較明顯;1696653和1696659單元變化趨勢很小.

墊片外止動(dòng)舌1編號(hào)為1696713、1696718和1696724單元的等效應(yīng)力，如圖15(b)所示.圖15(b)顯示:墊片外止動(dòng)舌各單元的等效應(yīng)力穩(wěn)定后隨時(shí)間周期性變化，其周期為0.01 s.由于緊固連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)，致使其應(yīng)力幅值隨時(shí)間逐漸增大，其中1696713號(hào)單元的應(yīng)力幅值變化趨勢較明顯;1696718和1696724單元的應(yīng)力幅值變化趨勢較小.` 墊片內(nèi)止動(dòng)舌編號(hào)為1696796、1696801和1696808單元的等效應(yīng)力，如圖16(a)所示.圖16(a)顯示:墊片內(nèi)止動(dòng)舌各單元的等效應(yīng)力穩(wěn)定后隨時(shí)間周期性變化，周期為0.01 s.由于緊固連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)，致使應(yīng)力幅值隨時(shí)間逐漸增大，其中1696796號(hào)單元變化趨勢較明顯;1696808號(hào)單元變化趨勢較小.

圖12 螺母的軸向(x軸)位移

圖13 墊片外止動(dòng)舌與螺母槽的接觸力

圖14 墊片內(nèi)止動(dòng)舌與螺紋軸的接觸力

圖15 外止動(dòng)舌1單元的等效應(yīng)力

墊片內(nèi)止動(dòng)舌編號(hào)為1696726、1696731和1696738單元的等效應(yīng)力，如圖16(b)所示.圖16(b)顯示:墊片內(nèi)止動(dòng)舌各單元的等效應(yīng)力穩(wěn)定后隨時(shí)間周期性變化，其周期為0.01 s.由于緊固連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)，致使應(yīng)力幅值隨時(shí)間逐漸增大，其中1696726號(hào)單元變化趨勢較明顯;1696738號(hào)單元變化趨勢較小.

圖16 墊片內(nèi)止動(dòng)舌單元的等效應(yīng)力

4 結(jié)論

通過建立有限元模型，分析在不同預(yù)緊力作用下螺母的軸向位移幅值變化規(guī)律和墊片止動(dòng)舌與螺母、墊片內(nèi)止動(dòng)舌與螺紋軸的接觸力的變化規(guī)律.由仿真結(jié)果可知:預(yù)緊力越小，螺母的軸向位移幅值在輸入軸的扭轉(zhuǎn)激勵(lì)作用下逐漸增大的趨勢越快，緊固連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)的趨勢也越快.墊片止動(dòng)舌與螺母、墊片內(nèi)止動(dòng)舌與螺紋軸的接觸力出現(xiàn)周期性變化，隨著緊固連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)，其接觸力幅值逐漸增大，止動(dòng)舌受到疲勞斷裂的機(jī)率增大.

［1］姜 凱，郭連水.基于有限元技術(shù)的螺紋聯(lián)接扭矩系數(shù)分析與計(jì)算方法 ［J］.機(jī)械工程師，2010，(5):32-38.

［2］Jiang Y，Chang J.An experimental study of the torquerelationship for bolted joints［J］.International Journ of Materials and Product，2001，16(4-5):417-429.