某車型擺臂與副車架連接前點異響問題研究

李發喜 覃佳亮 覃雄臻 仝家鵬

摘 要：該文針對公司某車型擺臂與副車架連接前點出現的異響問題，通過CAE仿真分析、扭矩檢查以及路試試驗，找出了異響問題的根本原因是螺栓扭矩衰減，導致預緊力不足，螺栓松動，并通過采用扭矩-轉角法提高了螺栓預緊力，成功解決了異響問題。

關鍵詞：異響問題；螺栓預緊力；扭矩-轉角法

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A

某車型在路試過程中擺臂與副車架連接前點出現異響，進行扭矩檢查發現，擺臂與副車架前點連接螺栓扭矩衰減嚴重，連接點結構如圖1所示。該文針對此問題，利用ADMAS進行了各工況下的動力學仿真，選擇其中受力最大的工況進行螺栓校核計算，找到了異響的原因，進行改進。

1 螺栓扭矩分析

1.1 螺栓受力分析

利用ADMAS仿真軟件對擺臂與副車架連接前點在各種工況下的受力情況進行動力學仿真，得到其中最大受力工況為過單側深坑（左側），此時Fx=2681N，Fy=-18010N，Fz=3394N，合力FM=18522.2N，Tx=-24544N· mm ，擺臂中間鋼套半徑為12 mm。最大工況下，螺栓受力的合力FM與螺栓軸線的夾角為82.3°，沿螺栓軸向和徑向分解，有：

1.2 螺栓預緊力計算

被連接件結合面可能在橫向載荷的作用下產生滑移，所以結合面間的摩擦力必須大于橫向載荷才能保證不發生滑移，由此可得保證被連接件不滑移的條件。

為了使連接件結合面貼合，需要額外施加一個用來避免連接件出現間隙的力，此力可由被連接件剛度和間隙大小計算得到，經計算，保證被連接不發生滑移所需的最小預緊力為82 776 N。

1.3 扭矩計算

擰緊記錄顯示扭矩法擰緊扭矩平均值為121 Nm ，對應的初始預緊力平均值為57 552 N，小于該點所需的最小預緊力，需提高扭矩或改進擰緊工藝以提高初始預緊力。

按不滑移條件計算得到的最小預緊力為82 776 N，計算滿足不滑移條件所需的扭矩和屈服扭矩，判斷扭矩法是否滿足條件，螺栓基本尺寸數據見表1。

T滑移>T屈服，按照扭矩法無法保證最小連接裝配預緊力，需通過試驗確定扭矩+轉角工藝參數，保證裝配預緊力。

2 扭矩-轉角法

扭矩-轉角法是一種較優化的扭緊方式，它可以使螺栓擰緊到超彈性區域內，從而實現對螺栓性能的充分利用，同時還能夠精確地控制裝配扭矩。

扭矩-轉角法是在達到規定的扭矩之后，再將螺栓轉動一定的角度，盡管螺栓的摩擦系數或多或少地會影響裝配扭矩所產生的“預緊力（扭矩階段）”，但是在彈性形變區域內，在彈性模量保持恒定的情況下，螺栓的軸向預緊力大小與其伸長量成正比，而螺栓的伸長量又與螺栓的轉動角度成正比，所以通過控制擰緊轉角可以達到控制預緊力的目的，把握螺栓的伸長量就可以直接地調控螺栓軸向預緊力的大小，使摩擦系數對預緊力偏差的影響降到最低，達到控制裝配水平的要求。

螺栓的軸向預緊力在螺栓發生塑性變形后就不再與伸長量成正比。但是，只要螺栓的形變保持在屈服點上下的超彈性區域，螺栓的軸向預緊力就會比較穩定，同時極大地提高了螺栓的利用效率。因此，采用扭矩-轉角法可以得到數值較大且離散程度較小的軸向預緊力。

2.1 扭矩-轉角法與扭矩直接控制法對比

如圖2所示，圖2（a）為扭矩控制法，圖2（b）為扭矩-轉角法。Ⅰ、Ⅱ分別為同一規格螺紋連接的擰緊特性曲線，采用扭矩控制法時，施加T1擰緊扭矩后，分別產生預緊力F'與F''，預緊力誤差ΔF=F'-F''。圖2（b）中，先用貼緊扭矩T0預擰緊，預緊力的誤差為ΔF0，然后均在起始扭矩T0的基礎上轉θ角，與曲線Ⅰ、Ⅱ交與c、d兩點，此時的預緊力之差為ΔFφ，由上述理論分析可知，采用扭矩-轉角法后，預緊力之差為ΔFφ=ΔF0，明顯小于扭矩控制法產生的預緊力之差ΔF。

2.2 扭矩轉角法的擰緊力矩計算

螺栓在擰緊過程中相當于串聯2個彈簧。對于普通螺栓，其剛度的計算公式為：

如果在彈性區域擰緊時，未能達到所需預緊力，就需要將螺栓擰緊到塑性區域，螺栓擰緊至塑性區域后，螺栓材料和載荷將決定屈服緊固件軸力，此時螺栓受到復合載荷作用。

扭矩-轉角法可將螺栓擰緊到超彈性極限區域內，如圖3所示。

2.3 扭矩-轉角法的起始扭矩和轉角

要確定扭矩-轉角法的起始扭矩和轉角，需先確定貼合扭矩和屈服點，貼合扭矩Tfs取試驗曲線中貼合點（直線段開始點）扭矩的最大值，再取所有試驗樣件數據中的最大值，加上3倍試驗數據標準偏差。在彈性區域內，以貼合扭矩為起始的直線段的中點所對應的扭矩為起始扭矩Tb，并取所有試驗樣本數據的均值。

屈服點Tfy由扭矩斜率確定。

取所有試驗樣本數據計算的均值；以起始扭矩為起點，至試驗曲線屈服點的角度為緊固轉角，緊固扭矩斜率關系如圖4所示。

3 扭矩-轉角法提高預緊力效果分析

對擺臂與副車架連接前點螺栓進行扭矩-轉角法試驗，在試驗曲線彈性區域內，直線段中點對應扭矩為起始扭矩，并按所有樣本的均值進行確定；以起始扭矩為起點，至試驗曲線屈服點的角度為緊固轉角，過屈服擰緊曲線如圖4所示。經過多組試驗驗證，對異響點使用90 Nm+180°的擰緊工藝進行擰緊可以達到所需預緊力，得到的扭矩和預緊力數據見表2。

試驗結果顯示90 Nm+180°扭矩-轉角法可以得到84 302 N的預緊力， 高于保證被連接不發生滑移所需的最小預緊力82 776.6 N，且離散程度較小，而扭矩法擰緊扭矩平均值為121，對應的初始預緊力平均值為57 552 N，使用扭矩-轉角法得到的預緊力明顯提高。使用扭矩-轉角法90 Nm+180°擰緊工藝擰緊試驗車異響點螺栓后進行路試試驗，路試過程中擺臂與副車架連接前點不再出現異響。

4 結語

在路試過程中擺臂與副車架連接前點出現異響，經過檢查發現連接螺栓扭矩衰減嚴重，預緊力不足，仿真分析及扭矩核算顯示扭矩法無法保證最小連接裝配預緊力，需改進擰緊工藝以提高預緊力，該文采用90 Nm+180°擰緊工藝的扭矩-轉角法，將異響點的初始預緊力提高到84 302 N，大于不發生滑移所需的最小預緊力82 776.6 N，經路試驗證，異響問題得到解決。

參考文獻

[1]Verein Deutscher Ingenieure.Systematic calculation of high dutybolted joints Joints with one cylindrical bolt[M].Germany：Verein Deutscher Ingenieure，2003.

[2]酒井智次著，柴之龍譯.螺紋緊固件聯接工程[M].北京：機械工業出版社，2016.

[3]張亮亮，王玉林.扭矩法與扭矩/轉角法預緊力的計算及對比研究[J].內燃機與配件，2016（1）：7-8.

[4]邵國強，朱林波，洪軍，等.重卡螺栓連接扭矩-預緊力關系影響因素分析[J].西安交通大學學報，2015，49（10）：14-21.

[5]耿亮，楊建坤，竇樹霞.基于轉角法預緊的連桿螺栓預緊力測試裝置及方法的研究[J].機械工程師，2014（2）：100-102.

[6]于成杰.扭矩法與扭矩轉角法比較與分析[J].山東工業技術，2014（14）：156.