楊溢 王凱 姚栓

摘 要：本文從正向設(shè)計(jì)開發(fā)角度，對儲能器的緊固性能進(jìn)行設(shè)計(jì)研究應(yīng)用。通過有限元計(jì)算方法對儲能器及安裝板進(jìn)行建模分析;通過載荷提取，得到儲能器螺紋外載;通過VDI2230計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，對其緊固性能進(jìn)行正向設(shè)計(jì)校核，得到儲能器的設(shè)計(jì)摩擦系數(shù)、擰緊扭矩和夾緊力值。同時(shí)，本文為解決懸臂結(jié)構(gòu)的緊固性能，提供了正向設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)及經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：緊固性能;正向設(shè)計(jì);有限元法;載荷提取;VDI2230

1 引言

眾所周知，螺紋緊固件是機(jī)械基礎(chǔ)件中最廣泛采用的緊固聯(lián)接件之一，它具有較強(qiáng)的通用性、可靠性、互換性，也是重要的安全聯(lián)接之一。如果設(shè)計(jì)和選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致聯(lián)接松動(dòng)、失效、損壞、泄露等故障出現(xiàn)，造成停機(jī)、停工、停產(chǎn)，甚至導(dǎo)致機(jī)毀人亡，發(fā)生重大人身財(cái)產(chǎn)損失，因此螺栓的緊固性能設(shè)計(jì)校核是極為重要的[2]。

儲能器作為某型變速器上的一個(gè)主要設(shè)備，其作用是為某型變速器提供穩(wěn)定的壓力保證。儲能器緊固結(jié)構(gòu)為典型的懸臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受到一附加彎矩左右，同時(shí)其內(nèi)部有一定壓力，在多個(gè)外載的共同作用下，其緊固性能的正向設(shè)計(jì)校核變得極為重要。本文將有限元與VDI2230結(jié)合應(yīng)用，對儲能器的緊固密封性能進(jìn)行正向設(shè)計(jì)校核，為保證其緊固的可靠性提供重要支撐。

2 有限元模型建模及載荷提取

儲能器結(jié)構(gòu)右側(cè)端面位置到安裝板距離為L=140mm，儲能器重量為2.8Kg，本次分析按照10倍重力計(jì)算分析，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

進(jìn)行有限元建模，儲能器重力為G=280N。材料及網(wǎng)格屬性見表1。有限元模型及計(jì)算結(jié)果見圖2。

通過螺栓外載荷，得到螺栓外載，其外載見表2。

3 VDI2230緊固性能正向設(shè)計(jì)校核

VDI2230作為緊固性能校核標(biāo)準(zhǔn)，已廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、工業(yè)制造等多個(gè)行業(yè)，其具有校核過程簡單，經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)性強(qiáng)，校核結(jié)果可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)，以被大眾、寶馬、豐田、吉利等多家國內(nèi)外汽車制造廠商作為緊固設(shè)計(jì)的首選標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 緊固參數(shù)

儲能器的螺栓為M33×1.5，嚙合長度為14mm，設(shè)計(jì)擰緊扭矩為M=200Nm。其它緊固參數(shù)見表3。

3.2 設(shè)計(jì)校核流程

對儲能器緊固性能進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，經(jīng)測定夾緊面最小摩擦系數(shù)μTmin=0.1。

R1：擰緊系數(shù)αA

結(jié)合車間測定經(jīng)驗(yàn)，得到電動(dòng)扭矩扳手的擰緊系數(shù)為αA=1.3。

R2：最小夾緊力

a）摩擦夾緊傳遞橫向力和扭矩：

b）密封計(jì)算：

c）防止張口計(jì)算：

因此。

R3：柔度、載荷系數(shù)

螺栓柔度：

夾緊件柔度：

同時(shí)：

R4：粗糙度導(dǎo)致的夾緊力損失

R5：最小安裝夾緊力

R6：最大安裝夾緊力

R7：摩擦系數(shù)下的最大夾緊力

ADC12其抗拉強(qiáng)度σb=215MPa，屈服強(qiáng)度σsl=138MPa。出在鋁合金螺紋情況下，當(dāng)M=200Nm，F(xiàn)M=25992N

R8：裝配載荷

因此：滿足要求。

R9：工作載荷

按照250Nm進(jìn)行擰緊螺栓，對應(yīng)的夾緊力FM=32491N。

R9：表面壓應(yīng)力

R10：防止滑動(dòng)安全系數(shù)及抗剪強(qiáng)度

R11：拉脫力校核

按照已編輯表格計(jì)算得到：

R12：擰緊扭矩

通過以上校核得到，在，時(shí)，M=250Nm擰緊儲能器，，緊固參數(shù)滿足各項(xiàng)計(jì)算設(shè)計(jì)校核要求。

4 總結(jié)

本文通過某型變速器儲能器的緊固性能正向設(shè)計(jì)，共完成以下幾點(diǎn)主要工作：

（1）根據(jù)實(shí)際最嚴(yán)重工況，完成儲能器的有限元仿真建模工作，得到緊固校核的模型建模方法;

（2）通過對螺紋的外載荷提取，得到螺紋外載;

（3）通過VDI2230螺栓緊固設(shè)計(jì)校核標(biāo)準(zhǔn)，完成儲能器緊固性能校核，最終按照250Nm擰緊，可保證各項(xiàng)緊固參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

本文通過結(jié)構(gòu)有限元建模-螺栓載荷提取-VDI2230標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)校核三大步驟，初步完成了懸臂結(jié)構(gòu)的緊固性能的正向設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用，為后期同類型的緊固件性能設(shè)計(jì)校核提供方法指導(dǎo)及經(jīng)驗(yàn)借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]VDI2230 第一部分 高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算.

[2]酒井智次[日]著，柴之龍譯.螺紋緊固件聯(lián)接工程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2016.1.

[3]葉又，黃平.汽車緊固件實(shí)用技術(shù)手冊[S].中國汽車工程學(xué)會汽車防腐蝕老化分會組編.中國質(zhì)檢出版社，2018.11.