王雪冰

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程研究中心，河北保定 071000)

?

錐孔連接螺母力矩設(shè)定及改善

王雪冰1，2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程研究中心，河北保定 071000)

針對工程實(shí)踐中球銷安裝問題，通過對螺紋及錐孔的力學(xué)分析，建立了錐孔表面應(yīng)力及各力矩之間的理論表達(dá)式，得出了錐孔連接所允許的最大擰緊力矩，通過計(jì)算同結(jié)構(gòu)不同錐度及同錐度不同孔徑錐孔允許的最大擰緊力矩，得出錐孔錐度對最大擰緊力矩有較大的影響的結(jié)論。

錐孔連接；應(yīng)力分析；球銷軸力；最大力矩

0 引言

汽車主銷軸線是汽車前懸架設(shè)計(jì)重點(diǎn)。為了保證主銷軸線位置精度，在懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常采用球銷連接結(jié)構(gòu)。目前，大多數(shù)汽車廠采用力矩法擰緊緊固件。球銷擰緊力矩采用對標(biāo)標(biāo)桿車型球銷擰緊力矩或采用國標(biāo)螺栓推薦使用力矩。由于車輛在使用過程中，螺栓力矩存在衰減現(xiàn)象，再加上各種汽車廠使用的擰緊工藝不一，因此無法準(zhǔn)確獲取標(biāo)桿件球銷擰緊力矩；再由螺栓安裝面與球銷錐面之間的差別，查閱國家標(biāo)準(zhǔn)的力矩不能完全適合錐孔連接。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)錐孔球銷相對于被連接件發(fā)生軸向位移，導(dǎo)致錐孔被撐大以及球銷安裝座的密封圈受壓后，產(chǎn)生露脂現(xiàn)象。圖1所示為球銷連接結(jié)構(gòu)。

圖1 錐孔球銷連接的結(jié)構(gòu)圖

1 力的分析

球銷錐孔連接，施加的擰緊力矩主要克服：(1)螺母法蘭面摩擦力矩；(2)螺紋處摩擦力矩。球銷所受到的力矩及力：(1)錐孔表面相對于錐孔軸線的摩擦力矩Mf2；(2)螺紋處摩擦力矩Mf1；(3)球銷軸向拉力Fa；(4)沿錐孔壁切線方向向下的摩擦力Ff，如圖2所示。由此在錐孔表面產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，如圖3所示。

圖2 球銷受力圖

其中：Mf2=Mf1；σ為錐孔表面正應(yīng)力；τ1為阻礙球銷向上移動(dòng)派生的切向摩擦力；τ2為阻礙球銷旋轉(zhuǎn)沿圓周方向的切向應(yīng)力。

根據(jù)力與力矩平衡，可以得到錐孔表面單元應(yīng)力平衡圖，如圖4所示。

圖4 錐孔表面單元應(yīng)力平衡圖

按照三向質(zhì)點(diǎn)平衡的強(qiáng)度條件[4]：

(1)

2 應(yīng)力計(jì)算

建立如圖5所示的模型進(jìn)行受力分析。

圖5 建立模型圖

錐孔表面函數(shù)為：

(2)

認(rèn)為此處錐孔表面受力均勻，根據(jù)力平衡、圖6及式(2)可以建立以下關(guān)系式：

(3)

其中：σy=σcosα；τ1=μkσ；τ1y=μkσsinα;μk為球銷與錐孔之間的摩擦因數(shù)。

(4)

圖6 單元應(yīng)力

3 螺栓受力計(jì)算

3.1 法蘭面摩擦力矩Mf1計(jì)算

(5)

其中：μ1為端面摩擦因數(shù)；r1為法蘭面接觸印跡內(nèi)圓直徑；r2為法蘭面接觸印跡外圓直徑。

3.2 螺紋受力計(jì)算

螺紋受力可以用圖7表示，螺紋處摩擦力矩為：

(6)

其中：F為螺紋中徑處圓周方向切向力；γ為螺紋升角；μ2為螺紋處當(dāng)量摩擦因數(shù)。

圖7 螺紋處力平衡圖

4 應(yīng)用舉例

σs1=310 MPa，球銷材料σs2=780 MPa，螺紋為：M14×1.5，螺紋中徑d=13.025 mm，螺母r1=27.6 mm，r2=14.8 mm，螺母端面摩擦因數(shù)μ1=0.12，螺紋處當(dāng)量摩擦因數(shù)μ2=0.11；錐孔尺寸：a=7.4 mm，b=9 mm，錐孔錐度為1∶6，錐孔表面的摩擦因數(shù)μk=0.12；

由公式(3)得：134.027σ=Fa；τ1=0.12σ

由公式(4)、(5)得：τ2=0.000 160 589Fa

將以上結(jié)果代入公式(1)，要求總應(yīng)力小于310 MPa，得：Fa=41 242.97 N，σ=307.72 MPa，τ1=36.93 MPa、τ2=6.62 MPa，螺栓法蘭面摩擦力矩Mf1=54.05 N·m，螺紋處摩擦力矩Ms=39.88 N·m，允許最大擰緊力矩Mtot=93.93 N·m。

5 錐孔連接改善

當(dāng)錐孔連接發(fā)生屈服變形后，為了保證連接夾緊力，工程中一般不降低螺母擰緊力矩，而是調(diào)整錐孔尺寸。而將錐孔隨意改大，再進(jìn)行CAE分析或試裝，具有結(jié)果不可控及費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)，因此找出螺母允許力矩與錐孔尺寸之間的變化趨勢對改善錐孔連接具有指導(dǎo)意義。以上述錐孔為列，當(dāng)錐孔高度及錐孔小端直徑不變時(shí)，改變孔錐度，計(jì)算球銷最大擰緊力矩，結(jié)果見表1；當(dāng)錐度不變，通過增大孔小端孔徑改善錐孔連接，允許最大力矩見表2。

表1 錐孔允許最大力矩N·m

表2 錐孔允許最大力矩

通過表1、表2可以得出：改變錐孔錐度比改變錐孔孔徑更易提高連接強(qiáng)度。

6 總結(jié)

文中研究對球銷連接設(shè)計(jì)及球銷連接失效后的產(chǎn)品更改具有指導(dǎo)意義，主要表現(xiàn)在：(1)分析了錐孔連接中，錐孔表面應(yīng)力及應(yīng)力之間的關(guān)系；(2)通過理論計(jì)算，得出各應(yīng)力的理論表達(dá)式，并可以計(jì)算出理論應(yīng)力值及允許的球銷螺母最大擰緊力矩；(3)在不改變擰緊力矩時(shí)，計(jì)算得出通過減小錐孔錐度比增大錐孔孔徑更易滿足錐孔連接強(qiáng)度。

【1】濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.

【2】孫桓.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

【3】劉洪文.材料力學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2004.

【4】劉大斌,韓文壩,蔡冰清,等.強(qiáng)度理論與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[J].中國工程科學(xué)，2007,9(12):44-52.

LIU D B,HAN W B,CAI B Q,et al.Intensity Theory and Test Verification[J].Engineering Science,2007,9(12):44-52.

隱形的兒童乘員“殺手”，你知道嗎？

在一般人的認(rèn)知里，兒童座椅的作用就是在汽車發(fā)生碰撞的時(shí)候能夠保護(hù)兒童，避免兒童出現(xiàn)碰撞創(chuàng)傷。很少人了解到除了碰撞創(chuàng)傷，兒童座椅材料釋放的有害物質(zhì)會(huì)對兒童的健康造成非常大的危害，比如在生產(chǎn)制造產(chǎn)品時(shí)，為了達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，有些企業(yè)會(huì)加入一些添加劑，或使用違禁化學(xué)物品，盡管產(chǎn)品達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)，但是其副作用毒害也伴隨著產(chǎn)品流向消費(fèi)者，將對孩子會(huì)造成無法預(yù)料的傷害。

目前在兒童安全座椅行業(yè)，就存在類似的情況，一些不負(fù)責(zé)任的企業(yè)為了滿足座椅面料的阻燃性標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)常會(huì)使用一些溴化物等化學(xué)品，然而這類毒性物質(zhì)不僅會(huì)傷害兒童稚嫩的皮膚，還可能導(dǎo)致癌變，其副作用貽害無窮。

為促進(jìn)兒童道路交通安全技術(shù)進(jìn)步，呼吁社會(huì)各界關(guān)注兒童道路交通安全，2016年9月21日，由中國汽車技術(shù)研究中心主辦、巧兒宜(中國)有限公司協(xié)辦的“2016第二屆中國兒童道路交通安全研討會(huì)”在上海成功舉辦。

巧兒宜(中國)有限公司總經(jīng)理程翰先生為研討會(huì)致辭，表示“巧兒宜”作為有社會(huì)責(zé)任的企業(yè)，一定會(huì)把生產(chǎn)更安全的兒童座椅產(chǎn)品作為企業(yè)的最高宗旨，堅(jiān)定不渝地履行企業(yè)的社會(huì)責(zé)任，為保護(hù)兒童安全不斷努力前行。

本屆研討會(huì)以構(gòu)建兒童道路交通安全生態(tài)圈為目標(biāo)，邀請了中國玩具和嬰童用品協(xié)會(huì)、中汽認(rèn)證中心、國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、沃爾沃汽車、好孩子、Kiddy、廈門理工學(xué)院、汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院等機(jī)構(gòu)，以及包括媒體在內(nèi)的100余位嘉賓，通過開展法規(guī)研討、兒童事故創(chuàng)傷研究、創(chuàng)新技術(shù)分享、座椅阻燃性與毒性預(yù)防等交流活動(dòng)，為提升中國兒童交通安全水平、減少兒童交通傷害做出了積極的努力。

會(huì)議期間，來自明門(中國)幼童用品有限公司的副總宋志釗先生針對兒童安全座椅的阻燃性與毒性危害預(yù)防做了精彩發(fā)言。他指出，兒童安全座椅的阻燃性標(biāo)準(zhǔn)是要求在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，座椅燃燒速度慢，給營救座椅上的孩子爭取寶貴的時(shí)間。然而，對于稚嫩的兒童來說，座椅面料的毒性傷害要比阻燃保護(hù)更重要，因?yàn)閮和L時(shí)間使用座椅時(shí)，含有有毒物質(zhì)的座椅面料將長期侵蝕兒童的皮膚，可能會(huì)干擾兒童的內(nèi)分泌功能，影響兒童的生殖發(fā)育，嚴(yán)重時(shí)將誘發(fā)癌變，可以說副作用貽害無窮。

關(guān)注兒童乘車安全，呼吁全社會(huì)提高兒童道路交通安全意識，不僅要為我們的孩子提供碰撞防護(hù)的兒童安全座椅，同樣重要的是要提供合格、無毒害的座椅，這樣才能為孩子的安全出行、健康成長保駕護(hù)航！

(來源：俞慶華)

Torque Set and Modifications for Ball-pin Connection

WANG Xuebing1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

To fitting problems of ball pin ,through mechanical analysis on screw and the bore-hole, the theory formulations of the bore-hole’s surface strains and torques were built, the allowed max torque for the ball-pin nut was gotten. Through the calculations of max allowed torque for the connection , the conclusion is that the taper angle has a bigger impact on the max allowed torque than that of the end face diameter of the bore-hole with the same height.

Bore-hole connection；Strain analysis；Axis force of ball pin；Max torque

2016-06-28

王雪冰(1989—)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P設(shè)計(jì)。E-mail：13477293138@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.015

U463

B

1674-1986(2016)10-061-03