錐孔連接螺母力矩設定及改善

王雪冰

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

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錐孔連接螺母力矩設定及改善

王雪冰1，2

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

針對工程實踐中球銷安裝問題，通過對螺紋及錐孔的力學分析，建立了錐孔表面應力及各力矩之間的理論表達式，得出了錐孔連接所允許的最大擰緊力矩，通過計算同結構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論。

錐孔連接；應力分析；球銷軸力；最大力矩

0 引言

汽車主銷軸線是汽車前懸架設計重點。為了保證主銷軸線位置精度，在懸架結構設計中，通常采用球銷連接結構。目前，大多數汽車廠采用力矩法擰緊緊固件。球銷擰緊力矩采用對標標桿車型球銷擰緊力矩或采用國標螺栓推薦使用力矩。由于車輛在使用過程中，螺栓力矩存在衰減現象，再加上各種汽車廠使用的擰緊工藝不一，因此無法準確獲取標桿件球銷擰緊力矩；再由螺栓安裝面與球銷錐面之間的差別，查閱國家標準的力矩不能完全適合錐孔連接。因此，在實際生產中，經常出現錐孔球銷相對于被連接件發生軸向位移，導致錐孔被撐大以及球銷安裝座的密封圈受壓后，產生露脂現象。圖1所示為球銷連接結構。

圖1 錐孔球銷連接的結構圖

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。由此在錐孔表面產生相應的應力，如圖3所示。

圖2 球銷受力圖

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

根據力與力矩平衡，可以得到錐孔表面單元應力平衡圖，如圖4所示。

圖4 錐孔表面單元應力平衡圖

按照三向質點平衡的強度條件[4]：

(1)

2 應力計算

建立如圖5所示的模型進行受力分析。

圖5 建立模型圖

錐孔表面函數為：

(2)

認為此處錐孔表面受力均勻，根據力平衡、圖6及式(2)可以建立以下關系式：

(3)

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

(4)

圖6 單元應力

3 螺栓受力計算

3.1 法蘭面摩擦力矩Mf1計算

(5)

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

3.2 螺紋受力計算

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為螺紋處當量摩擦因數。

圖7 螺紋處力平衡圖

4 應用舉例

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μ1=0.12，螺紋處當量摩擦因數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

將以上結果代入公式(1)，要求總應力小于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

當錐孔連接發生屈服變形后，為了保證連接夾緊力，工程中一般不降低螺母擰緊力矩，而是調整錐孔尺寸。而將錐孔隨意改大，再進行CAE分析或試裝，具有結果不可控及費時的缺點，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意義。以上述錐孔為列，當錐孔高度及錐孔小端直徑不變時，改變孔錐度，計算球銷最大擰緊力矩，結果見表1；當錐度不變，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度。

6 總結

文中研究對球銷連接設計及球銷連接失效后的產品更改具有指導意義，主要表現在：(1)分析了錐孔連接中，錐孔表面應力及應力之間的關系；(2)通過理論計算，得出各應力的理論表達式，并可以計算出理論應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，計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度。

【1】濮良貴.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2001.

【2】孫桓.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

【3】劉洪文.材料力學[M].4版.北京：高等教育出版社，2004.

【4】劉大斌,韓文壩,蔡冰清,等.強度理論與實驗現象[J].中國工程科學，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？

在一般人的認知里，兒童座椅的作用就是在汽車發生碰撞的時候能夠保護兒童，避免兒童出現碰撞創傷。很少人了解到除了碰撞創傷，兒童座椅材料釋放的有害物質會對兒童的健康造成非常大的危害，比如在生產制造產品時，為了達到國家標準，有些企業會加入一些添加劑，或使用違禁化學物品，盡管產品達到了國家標準，但是其副作用毒害也伴隨著產品流向消費者，將對孩子會造成無法預料的傷害。

目前在兒童安全座椅行業，就存在類似的情況，一些不負責任的企業為了滿足座椅面料的阻燃性標準，經常會使用一些溴化物等化學品，然而這類毒性物質不僅會傷害兒童稚嫩的皮膚，還可能導致癌變，其副作用貽害無窮。

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

巧兒宜(中國)有限公司總經理程翰先生為研討會致辭，表示“巧兒宜”作為有社會責任的企業，一定會把生產更安全的兒童座椅產品作為企業的最高宗旨，堅定不渝地履行企業的社會責任，為保護兒童安全不斷努力前行。

本屆研討會以構建兒童道路交通安全生態圈為目標，邀請了中國玩具和嬰童用品協會、中汽認證中心、國家轎車質量監督檢驗中心、沃爾沃汽車、好孩子、Kiddy、廈門理工學院、汕頭大學醫學院等機構，以及包括媒體在內的100余位嘉賓，通過開展法規研討、兒童事故創傷研究、創新技術分享、座椅阻燃性與毒性預防等交流活動，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防做了精彩發言。他指出，兒童安全座椅的阻燃性標準是要求在發生火災時，座椅燃燒速度慢，給營救座椅上的孩子爭取寶貴的時間。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更重要，因為兒童長時間使用座椅時，含有有毒物質的座椅面料將長期侵蝕兒童的皮膚，可能會干擾兒童的內分泌功能，影響兒童的生殖發育，嚴重時將誘發癌變，可以說副作用貽害無窮。

關注兒童乘車安全，呼吁全社會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，研究方向為汽車底盤設計。E-mail：13477293138@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.015

U463

B

1674-1986(2016)10-061-03