一種等距型面多環過盈連接結構設計

張磊，張莉，許幫柱

（陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

引言

1 三角形等距型面截面描述

目前一種扭轉梁結構，使用實心圓軸扭桿與左右扭力臂焊接而成，產品較為笨重，現使用圓管代替圓軸進行輕量化設計，但焊接結構疲勞強度低，在扭轉工況下，焊縫處易開裂。本文采用一種三角形等距型面過盈配合連接方式，提升抗振性和疲勞強度，適用于傳遞轉矩大、可靠性高的場合。

本文描述了三角形等距型面的幾何作圖，結構設計，過盈量的計算，以及過盈裝配工藝流程和設備能力需求的研究。

對三角形等距廓線曲線進行描述（如圖1）：在以坐標原點O為圓心的基圓上取互為120°三個點O1、O2、O3；以原點O為圓心，分別作直徑D2的外包絡圓和直徑D3的內包絡圓；以O1為圓心，作一段與外包絡圓相切的小圓弧，反向作一段與內包絡圓相切的大圓弧；分別以O2、O3為圓心按上述方法作圓弧，使相鄰圓弧的端點線相切、重合，D1為型面等距值。

圖1 三角形等距型面截面

設計時，上述作圖法對應參數可參考選用表1中提供的DIN32711的P3G數據。表1中數據不能滿足實際要求時，可以按插值法選取各參數值。

表1 DIN32711推薦使用P3G參數表

2 結構與工藝方案

2.1 產品結構

扭轉梁為對稱結構，左、右扭力臂材料為鑄鋼RZG340-510，三角形等距型孔根據表1選擇基本尺寸D1=60mm，D2=64.5mm，D3=55.5mm，最小厚度為11mm。圓管材料為Q345B-Φ55×5mm精拔管。通過三角形等距型面楔子將圓管冷擠壓脹形，使管外壁與左、右扭力臂對應的三角形等距型孔內壁過盈配合，實現圓管、扭力臂和楔子相互過盈配合[1]，配合面長度為50mm，裝配示意圖如圖2所示。

圖2 裝配截面示意圖

2.2 工藝方案

上述梁結構需橫向同時壓裝，保證工藝的可靠性，則必須使用專用液壓壓裝設備，為保證楔子在壓裝過程中不被壓潰，可將圓管兩端頭進行擴口成型，再進行過盈壓裝，具體壓裝工藝流程如下：

（1）固定夾持圓管，利用設備液壓油缸產生的壓力將沖頭壓入圓管兩端頭，完成擴口成型（脹形）；

（2）退出沖頭，將左、右扭力臂三角形等距型孔對應過盈安裝在擴口后的圓管兩端；

（3）再將楔子從圓管兩側同時完全壓入擴口孔內，實現過盈配合[2]；

（4）取下總成，完成裝配。

通過兩次過盈裝配，實現圓管、扭力臂和楔子相互過盈配合的可靠性。

3 數據計算

依據上述結構及裝配工藝方案，管口脹形時，通過目前成熟擴口工藝及定制模具將Φ55×5mm管材端口擴為外輪廓基圓（等效直徑D1）60mm的三角形等距型邊界，理論壁厚減薄為4.5mm，此時所需楔子外輪廓基圓尺寸應為51mm。要實現多環過盈配合，需計算出脹形管與扭力臂配合公差、脹形管端尺寸公差及校驗材料強度，再計算出楔子尺寸公差和所需材料強度[3]。

3.1 脹形管與扭力臂配合

3.1.1 配合公差選擇

已知此扭轉梁傳遞扭矩T=12000N·m，裝配后不拆卸，為保證不產生周向滑移，當徑向壓力為p時，在扭矩T的作用下，配合面間傳遞的摩擦阻力應不小于扭矩T，則有：

d—為脹形管外輪廓基圓，d=D1。

采用壓入法裝配，有潤滑時，取f=0.08，得：

根據材料力學厚壁圓通計算理論，過盈連接傳遞載荷所需的最小過盈量為：

C1—為圓管的剛性系數，；

C2—為扭力臂的剛性系數，；

E1、E2—分別為圓管與扭力臂材料的彈性模量，E1=E2=206GPa；

d1、d2—分別為管口平均內徑與扭力臂平均外徑，設楔子內徑d1=51mm，扭力臂安裝孔最小等效外徑d2=82mm；

a1、a2—分別為圓管與扭力臂材料的泊松比、則a1=a2=0.3。

配合表面的微觀峰尖被擦去或抹平一部分，應增加被擦去部分2u=0.8（Rz1+Rz2）：

u—為兩配合表面上微觀峰尖被擦去部分的高度之和，取0.4（Rz1+Rz2），單位為μm；

Rz1、Rz2—分別為圓管及扭力臂配合表面上微觀不平度的十點高度，單位為μm，值隨表面粗糙度而異，在此結構設計表面粗糙度為3.2，見表2，Rz1=Rz2=10μm。

表2 加工方法、表面粗糙度及Rz

由式3得最小過盈量：δmin=163μm。

3.1.2 材料強度校核

根據上述配合的最大過盈量可計算出裝配后可能產生的最大徑向力pmax：

由上式計算得裝配后最大徑向力Pmax=63MPa。

零件材料為塑性材料，按第三強度理論（σ1-σ3≤σS）檢驗其承受最大應力的表層是否處于彈性變形范圍內。設σS1、σS2分別為被包容件及包容件材料的屈服極限，不出現塑性變形的校驗公式為：

對被包容件內表面：

對包容件內表面：

由設計結構材料特性可查的得σS1=345MPa，σS2=340 MPa，代入公式得：

由計算得知，包容件內表面未發生塑性變形，即配合零件強度足夠，而被包容件表面發生塑性變形，即壓裝時扭力臂不發生塑性變形，脹形管口會發生變形，由此證明使用楔子來保證過盈配合性能的必要性。

3.2 確定楔子尺寸公差及材料強度

楔子與脹形管之間的過盈配合選擇H7/u6，即脹形管內輪廓基圓尺寸為，楔子外輪廓基圓尺寸為。可能產生的最大過盈量δmax=106μm，楔子設計為實心，壓裝可能產生的最大徑向力按公式（4）計算得pmax=111.5MPa。

根據實心軸強度驗算公式σS≥2pmax，即楔子屈服強度應大于223MPa，選20鋼可用。

3.3 最大壓裝力

采用壓入法裝配時，為了選擇所需壓力機的容量，應將其最大壓入力按下列公式計算：

最大壓入力：

最大取出力：

μ—摩擦系數，取μ=f=0.08；

l—配合長度。

則可得脹形管壓入搖臂安裝孔內所需最大壓入力為F1=0.08×3.14×60×50×63≈47.5KN，楔子裝配時的最大壓入力為F2=0.08×3.14×51×50×111.5≈71.4KN。

由計算可知在有潤滑條件下使用7.5噸壓力機可滿足此結構裝配。

F0=92.8KN～107.1KN，即需要92.8KN～107.1KN的力才可將過盈裝配結構拔脫分離，滿足結構可靠性。

4 結論

對三角形等距型面過盈連接結構設計，提供了一種新型連接方式，選用圓管代替實心軸，采用與傳統過盈配合不同的多環過盈配合，以取代傳統焊接形式，進行輕量化設計，避免因焊接缺陷導致的失效風險，且結構造型美觀；三角形等距型面在扭轉情況下工作，具有極優的防轉動功能；在無專業設備作用下，很難將該結構分離，提升結構的疲勞強度。通過計算合理選擇楔子公差及材料，計算出壓裝時所需設備噸位，并介紹一種可行的工藝方法，增加成品率，以滿足加工要求。對三角形等距型面過盈連接結構適用于扭轉工況的連接件，如用于重卡翻轉軸，及應用于焊接管類支架輕量化設計當中。