基于前穩定桿拉桿螺母松脫的分析以確定扭矩的影響

屈亞洲

前言

前麥弗遜式獨立懸架是一種結構簡單，造價便宜的前懸布置方式，其有前輪布置空間大，定位參數容易保證的優點，在現代轎車中被廣泛應用。其導向系統穩定桿的布置是為了提高橫向角剛度，當車輪在反向跳動時防止車身側傾而設計的裝置。但在實際使用過程中，由于車輪跳動，穩定桿反復擺動，造成穩定桿拉桿螺母極易松脫。眾所周知，穩定桿拉桿螺母的松脫使導向系統穩定桿失去作用，從而出現車身側傾偏大，在急速轉彎時出現傾覆的風險，同時在車輛頻繁振動條件下使前軸結構松散，車輪定位參數超差，造成磨胎，行駛跑偏等影響行駛安全的因素。

針對這些因素，研究分析螺母松脫的原因，并以簡化受力模型的方式分析穩定桿拉桿結構，計算其扭矩，以驗證扭矩是否不足，再根據拉桿球頭的特殊性，研究其扭矩打緊方式，提出采用內六角固定的方式擰緊力矩的重要性。

1、螺紋聯接的防松

現代轎車一般位置的螺紋聯接部分采用的螺栓都是單線普通螺紋螺栓，該螺紋升角（'ψ）小于螺旋副的當量摩擦角（vφ），螺紋聯接件本身滿足螺紋聯接的自鎖條件（vφψ＜）。除此外，擰緊后螺母和螺帽的支撐面上的摩擦力也有防松的作用。在靜載荷和在工作溫度不高時，螺紋聯接不會自動松脫。但在沖擊、振動、變載荷等作用下，螺旋副間的摩擦力可能減少或瞬間消失，在多次重復后，就會使聯接松脫。在高溫或溫度變化較大的情況下，由于螺紋聯接件和被聯接件的材料發生蠕變和應力松弛，也會使聯接中的預緊力和摩擦力減小，最終導致聯接失效。

那么防松的根本原因在于防止螺旋副在受載時發生相對轉動。針對麥弗遜式獨立懸架前穩定桿桿拉桿的配合結構，那么就是防止拉桿球銷螺母與穩定桿發生相對轉動。

2、簡化受力模型的建立

該麥弗遜式獨立懸架結構簡圖如下：

針對該種穩定桿拉桿的聯接方式，按車輪跳動受力的反方向由穩定桿的擺動對球銷聯接受力進行分析：拉桿球銷共受到兩個力的作用：一個是在穩定桿轉矩的作用下要求球銷與穩定桿不發生相對轉動，則球銷靠螺母擰緊后螺母與穩定桿接合面間產生的摩擦力矩（ μ F0·r）來抵抗轉矩（ T'），此時球銷有一個預緊力（ F0）的要求，另一個是在穩定桿轉矩的作用下，還有拉桿球銷啟動扭矩（旋轉扭矩）施加的工作拉力（F）。此時拉桿螺母在這兩個力的復合作用下（ F2）要求不發生松脫現象。

對其建立受力模型如圖2：

3、扭矩計算

當然，螺母的松脫有可能是由于拉桿與穩定桿配合結構不合理引起：如球銷的螺紋的長短，球銷端面的大小，穩定桿配合面平面度等等。這里假定球銷與螺母的配合及其扭矩的配合，穩定桿端面的平面度都是正確的，來計算扭矩的選擇是否正確。

（1）當車輪在做同向運動時，穩定桿不起作用，當車輪在做反向運動時，穩定桿受扭轉，此時，穩定桿上下擺動，由穩定桿的剛度（φC）和擺角（φ），可計算出穩定桿極限狀態下的轉矩（1T）：

橫向穩定桿轉矩計算公式： T =Cφ×φ

穩定桿剛度計算見圖3：

已知某穩定桿振幅為±45mm，換算成角度為±14.2°，剛度為 14.2Nm/deg，經計算穩定桿擺動時極限轉矩為T1= 4 03.28Nm 。

（2）穩定桿與拉桿配合后，拉桿球銷與穩定桿不發生相對運動，而是拉桿球頭在球座內旋轉。此時，球銷螺母的預緊力（ F0）滿足公式： μ F0r≥KfT1，變形為：

式中可靠性系數 K f=1.3

式中接合面的摩擦系數μ=0.15

（3）拉桿球銷在工作時，啟動瞬間有啟動力矩，旋轉時有旋轉力矩，一般情況下，球銷在啟動時力矩大于旋轉力矩，因此取啟動力矩(T2)進行工作拉力（F）的計算：

根據預緊力與擰緊力矩的關系式T= K F0d，有：

式中：扭矩系數 0.17K=

已知上述某車球銷啟動力矩 Nm5.3T2= ，球銷直徑d= 1 0mm ，經計算 F =2×103N。

（4）對拉桿球銷受力分析結果，其受預緊力（0F）和工作拉力（F）的復合作用，則實際受力為（2F）。

根據承受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯接的計算公式：

（5）根據機械設計理論，對M10～M64的普通螺紋的鋼制緊螺栓聯接，在扭轉時同時承受拉伸和扭轉的聯合作用，但在計算時可以只按拉伸強度計算，將總拉力增加30%以考慮扭轉的影響。

則根據預緊力與擰緊力矩的關系式 T = K F0d，可計算出球銷在實際受力（ F2）時所要求的最小擰緊力矩（T）：

將上式變形有 T = 1.3F2Kd

式中：扭矩系數 K =0.17

已知上述某車球銷直徑 d = 1 0mm，經計算其最小擰緊力矩為 T = 4 3.3Nm。

4、結果分析

以上對拉桿球銷的受力進行了分析，以及采用普通計算的方法對球銷最小力矩進行了計算介紹。但現代對螺母扭矩的選取常采用螺栓分析軟件以及 CAE分析軟件對配合結構進行分析從而獲取所需螺栓的等級、規格，相應選配正確的螺母。然后再由試驗確認最佳扭矩，因為扭矩系數會受螺栓的尺寸，螺栓參數，螺紋副，被緊固件的材質、硬度、表面粗糙度、表面處理和螺母狀態等諸多因素的影響。

采用普通計算的方法對聯接件扭矩的選取一般在試驗取得的結果上下浮動。已知某型拉桿球銷的裝配力矩為 50±5Nm，經過以上的計算可見其滿足使用要求。但該型轎車在路試中頻繁出現螺母松脫的問題，那么造成螺母松脫可能是：

（1）該型轎車在顛簸路面行駛過程中，穩定桿系統反復的振動使球銷螺母預緊力和接合面間的摩擦力，螺栓副的摩擦力減小而發生松脫。

（2）由于現代工業對工作效率提高的要求，某些整車廠采用氣動扭矩扳手對球銷力矩進行打緊，而忽略了球銷結構的特殊性。一般對有旋轉要求的鉸鏈點采用球頭結構，就是使球銷在一定范圍角度進行旋轉。采用氣動扭矩扳手，由于球銷跟轉會導致力矩無法打緊，造成其在顛簸路面松脫。

針對以上原因，采用一般尼龍防松螺母和改進擰緊方式，使用內六角固定球銷，開口式力矩扳手擰緊力矩進行改進。經過在該型轎車10000Km比例石路面測試，不再松脫。

5、結束語

經過對一種麥弗遜式獨立懸架前穩定桿拉桿螺母松脫問題的研究，分析了其受力結構，計算了扭矩，驗證了不是扭矩不足造成螺母松脫的原因。這種簡化受力模型進行力矩計算的方法對其他位置的螺母擰緊力矩的計算具有參考意義。

同時分析了螺母松脫的原因是螺旋副發生了相對轉動，以及造成螺旋副發生相對轉動的部分原因。提出了球頭結構的特殊性，經過改進擰緊方式滿足扭矩和采用螺母防松措施，保證了拉桿工作的安全性。

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