基于鉚點試驗的轉向機調整螺母鉚點方法研究

王國超

摘要：針對汽車齒輪齒條式轉向機調整螺母的防松方式進行介紹，對采用鉚頭對調整螺母螺紋破壞式的鉚點方法進行了研究。以鉚頭數量，鉚頭分布方式，鉚壓力大小為控制變量，以鉚壓后調整螺母的擰松力矩和轉向機殼體壓塊孔變形量為評價指標，通過試驗得出，采用6個鉚頭周向均勻分布在調整螺母螺紋中徑圓上對轉向機調整螺母鉚壓時，對殼體壓塊孔變形量影響較小，對調整螺母防松力矩影響也較小。最終得到了采用6個鉚頭周向均勻分布在調整螺母螺紋中徑圓上，使用30?kN鉚壓力為較優的調整螺母鉚點方法。

關鍵詞：汽車齒輪齒條式轉向機 ?調整螺母 ?殼體壓塊孔變形量 ?擰松力矩

中圖分類號：U463.46；U467.3 ???文獻標識碼：A

Research on Riveting Point Method of Automobile Steering Gear Adjusting Nut Based on Riveting Point Test

Wang Guochao

（Bosch Huayu Steering Systems Co.， LTD， Shanghai 201821）

【Abstract】This paper introduced?the anti-loosening method of adjusting nuts for automotive rack and pinion steering gears， and studied?the riveting point method using riveting head?to damage the threads of adjusting nuts. In this paper， the number of riveting head， the distribution of riveting head， and the riveting pressure were?used as control variables， and the loosening torque of the adjusting nut after riveting， the deformation of the pressure block hole of the steering gear housing were?used as evaluation indicators. According to the test， when six riveting heads are evenly distributed on the pitch diameter circle of the adjusting nut thread circumferentially?to rivet the steering gear nut， the deformation of the pressure block hole of the housing is less affected， and the locking torque of the adjusting nut is also less affected. Finally， the method of adjusting nut riveting point for steering gear is obtained， in which six rivet heads?are uniformly distributed on the pitch diameter circle of the adjusting nut thread along?the circumferential direction， with?riveting pressure of?30kN riveting pressure as?optimal.

Keywords： Rack and pinion steering gear， Adjusting nut， Deformation of the pressure block hole， Loosening torque

1前言

齒輪齒條式轉向機具有外形結構簡單、尺寸小、質量輕等優點^[1]，廣泛應用于乘用車和商用車。汽車轉向機的基本要求之一是傳動副不允許有間隙^[2-3]。齒輪齒條嚙合時通常會有背向間隙，背向間隙產生的主要原因包括齒廓的偏差、中心距的偏差、長時間使用后的磨損^[4]。齒輪和齒條的嚙合間隙對轉向機的移動力特性和噪音表現影響明顯，嚙合間隙過大是導致轉向機異響的一個重要原因^[5-8]，一般采用由壓塊、彈簧、調整螺母等零件組成的壓緊機構將齒條壓緊齒輪。壓緊機構既能夠保證轉向機平穩工況時齒輪齒條的嚙合間隙，又能在轉向機受振動、沖擊等惡劣條件影響時，通過彈簧對齒輪齒條起到緩沖作用，還能在齒輪齒條長期磨損間隙變大后，自補嘗試調整齒輪齒條的嚙合間隙。調整螺母作為齒輪齒條壓緊機構的重要部件，其裝配效果將直接影響齒輪齒條的嚙合間隙。轉向機的工況復雜，調整螺母防松效果將直接影響轉向機的性能，由于既要考慮生產成本，又要確保較好的防松效果，對其防松方法的研究至關重要。

調整螺母與轉向機殼體采用螺紋連接，螺紋連接結構緊湊、裝拆方便，避免螺紋聯接結構在工作過程中出現松動問題也已成為目前螺紋聯接結構設計所關心的核心問題之一^[9]。常用的螺紋防松措施^[10-11]有增加附件防松（如止動墊圈、串聯鋼絲）、摩擦防松（如采用對頂雙螺母、涂抹螺紋膠、采用細牙螺紋降低螺旋升角）、改變螺紋齒形（如施必牢螺紋、唐氏螺紋）、破壞螺紋副（如鉚沖、焊接）等。DRAVID 等^[12-13]通過試驗驗證了，與無墊圈相比，應用彈簧墊圈后螺紋松動率降低了近乎一半；PINELLI 等^[14]測量了已使用一年多的帶有彈簧墊圈的螺紋連接結構，發現大多數結構的預緊力都在安全范圍內。許多橫向振動試驗^[15]和有限元仿真^[16-17]都表明，雙螺母能夠有效地降低預緊力衰退，表現出優異的防松性能。但是通過墊圈和雙螺母的防松方法，增加了零件數量，導致成本升高。有些學者發明了類似唐氏螺栓的新型螺栓結構^[18-19]，SASE 等^[20]提出的臺階鎖緊螺栓（SLB），ZHANG 等^[21]提出一種新型自鎖形狀記憶合金（SMA）螺母，NODA 等^[22]提出了超級鎖緊螺母結構。上述幾類螺母防松方式雖有較好的防松效果，但由于零件材料、加工成本高，很難應用于產量大、有低成本要求的汽車轉向機中。汽車齒輪齒條式轉向機的調整螺母不需要重復拆卸，裝配節拍快，生產量大，采用破壞螺紋副的防松方式更加合適。

本研究采用鉚頭對調整螺母螺紋進行破壞式鉚點的防松方式，裝配便捷，成本低，以鉚頭數量，鉚頭分布方式，鉚壓力大小為控制變量，以鉚壓后調整螺母的擰松力矩和轉向機殼體壓塊孔變形量為評價指標，通過一系列試驗得到調整螺母鉚點防松的較優方法。通過試驗得到，采用6個鉚頭周向均勻分布在調整螺母螺紋中徑圓上對轉向機調整螺母鉚壓時，對殼體變形量影響較小，對調整螺母防松力矩影響也較小。最終得到了采用6個鉚頭周向均勻分布在調整螺母螺紋中徑圓上，使用30?kN鉚壓力為較優的汽車齒輪齒條式轉向機的調整螺母鉚點方法。

2齒輪齒條式轉向機

2.1齒輪齒條式轉向機結構

轉向系統工作原理如圖1所示，P0點為方向盤連接點，P1與P2點構成中間軸，P3點是齒輪齒條嚙合點，P4與P5點是車輪的間接連接點。轉向系統工作時，方向盤P0點的轉動，通過中間軸傳遞到轉向機，再通過P3點齒輪齒條傳動，轉化成P4與P5點的左右直線移動，實現車輪的轉向，扭矩的傳遞路徑為圖1中線段。

如圖2所示，齒輪齒條式轉向機由外球頭、橫拉桿、防塵罩、齒輪、密封帽、殼體、齒條、壓塊、彈簧、調整螺母等零件組成。齒輪齒條嚙合運動，將齒輪的旋轉運動轉變為齒條的直線運動。轉向傳動比可通過改變齒輪和齒條的齒數等參數實現。目前在前置-前輪驅動轎車上采用的基本都是齒輪齒條式轉向機，一些前置-后輪驅動轎車也采用這種轉向機^[23]。

2.2齒齒輪齒條壓緊機構

齒輪齒條式轉向機采用的是斜齒齒輪與直齒齒條嚙合的結構，齒輪驅動齒條運動過程中，嚙合部位的齒條會產生一個徑向力，使齒輪齒條有分離趨勢。由于零件的加工誤差和裝配誤差，會導致齒輪齒條嚙合位置有一定的間隙。隨著使用年限的增長，齒輪齒條嚙合位置也會因磨損產生間隙。間隙的出現既影響轉向機性能，又容易產生噪音。轉向機的壓緊機構克服了這種間隙產生的問題。

如圖3所示，壓緊機構由壓塊、彈簧、調整螺母組成。壓塊與齒條的背面接觸，調整螺母給彈簧施加預緊力，使壓塊始終將齒條壓緊齒輪。有的壓緊機構沒有螺旋彈簧，而采用帶有彈簧膜片的調整螺母，通過膜片的變形給壓塊一個預壓力。

汽車轉向機的工況十分復雜，沖擊、振動時有發生，這對壓緊機構的防松性能提出了很高的要求。由于沖擊、振動、磨損都會使齒條產生振動和位移，壓塊在殼體壓塊孔中須能自由滑動，因此，防松方式須避免因壓塊孔變形而導致的壓塊卡死現象。如圖4所示，汽車轉向機裝配完成后，會進行壓塊間隙測試，輸出轉向角度-壓塊間隙曲線，來評判壓塊在轉向機壓塊孔內的運動情況。圖5所示為壓塊有卡死現象的測試結果。

壓緊機構的防松主要靠調整螺母實現，調整螺母與轉向機殼體采用螺紋配合的方式，如何既裝配便捷、節拍快，又能成本低，擁有良好的防松性能是各汽車轉向系統企業研究的重要問題。以齒輪齒條式轉向機常用的M38×1.5調整螺母為研究對象，采用破壞螺紋鉚點式的防松方法，對其鉚點方法進行研究，尋求一種殼體壓塊孔變形量小，又有良好防松扭矩的調整螺母鉚點方法。

3調整螺母鉚點方法研究

3.1調整螺母的裝配要求

齒輪齒條式轉向機壓緊機構裝配時，在壓塊孔依次裝入壓塊、彈簧、O型圈，然后擰緊調整螺母，最后在調整螺母上進行鉚點，破壞其螺紋，起到防松的效果。

如圖6所示，為防止轉向機殼體受鉚點力變形，調整螺母鉚點時，將對轉向機殼體進行支撐。鉚點后，要求殼體壓塊孔變形量小。

3.2調整螺母的鉚點試驗方案

齒輪齒條式轉向機壓緊機構裝配時，在壓塊孔依次裝入壓塊、彈簧、O型圈，然后擰緊調整螺母，最后在調整螺母上進行鉚點，破壞其螺紋，起到防松的效果。

試驗將采用鉚頭對調整螺母螺紋進行破壞式鉚點的防松方式，以鉚頭數量，鉚頭分布方式，鉚壓力大小為控制變量，以鉚壓后調整螺母的擰松力矩和轉向機殼體壓塊孔變形量為評價指標，得到較優的調整螺母鉚點方法。如圖7所示，采用傾技牌拉壓力機和自制的調整螺母鉚點夾具完成對調整螺母的鉚點，拉壓力機的有效力范圍為0.01～100?kN，測力精度為示值的±0.5%以內。

如圖8所示，對調整螺母螺紋破壞鉚點時，將采用自研的調整螺母鉚點工裝。工裝上設有鉚頭固定座和鉚頭固定螺栓，能夠根據需求，快速通過裝拆鉚頭來控制鉚頭的數量。工裝上的限位座，能夠確保每個鉚頭的壓入深度一致。為使調整螺母鉚點時受力均勻，本試驗將采用3個鉚頭周向均布和6個鉚頭周向均布的鉚點工裝進行鉚壓，研究鉚頭數量對鉚點效果的影響。

試驗采用齒輪齒條式轉向機常用的M38×1.5調整螺母，為研究鉚頭布置方式對鉚點效果的影響，基于之前量產產品經驗和研究，如圖9所示，將采用6點中徑圓（6個鉚頭均布在調整螺母Φ36.4中徑圓上），6點2圓（6個鉚頭中3個鉚頭均布在調整螺母Φ38大徑圓上和3個鉚頭均布在調整螺母Φ36.2小徑圓上），3點中徑圓（3個鉚頭均布在調整螺母Φ36.4中徑圓上），3點外圓（3個鉚頭均布在調整螺母Φ38大徑圓上）的鉚點工裝進行鉚點試驗。

表1所示為鉚點試驗計劃表，將采用20個樣件完成試驗。試驗前后將測量每個樣件壓塊孔的圓柱度，以鉚壓前后圓柱度變化量為壓塊孔變形量的判斷標準，并以鉚點后的擰松力矩為防松判斷標準，分析和總結各種鉚點方法對調整螺母的鉚點效果。

4 調整螺母鉚點試驗及結論

4.1 各鉚點方法對調整螺母擰松力矩的影響

如圖10所示，鉚壓力相同時，3點中徑圓比6點中徑圓的鉚頭布置方式調試螺母擰松力矩大；6點2圓和3點外圓的布置方式，鉚壓力越大，擰松力矩越大；鉚頭分布在中徑圓時，鉚壓力大小對擰松力矩影響不大；采用30?kN的鉚點力，防松效果穩定且較好。

4.2 各鉚點方法對殼體壓塊孔變形的影響

如圖11所示，采用6個鉚頭對調整螺母進行鉚點時，6個鉚頭均布在中徑圓比6個鉚頭均布在2圓，力大小對殼體壓塊孔變形的影響較小。

如圖12所示，采用3個鉚頭對調整螺母進行鉚點時，3個鉚頭均布在中徑圓比3個鉚頭均布在外圓，鉚壓力大小對殼體壓塊孔變形的影響較小。

綜合圖11、圖12可知，當鉚頭分布在中徑圓上時，鉚壓力大小對殼體壓塊孔變形量的影響較小。

由圖13可知，在相同的鉚壓力下，6個鉚頭中徑圓分布比3個鉚頭中徑圓分布的鉚點方式，對殼體壓塊孔變形量的影響較小。

綜合各鉚點方式對調整螺母防松力矩和殼體壓塊孔變形量影響的試驗結果，采用6個鉚頭周向均勻分布在調整螺母螺紋中徑圓上，以30kN鉚壓力對轉向機調整螺母鉚壓時，對殼體變形量影響較小，并有較好的防松效果，為較優的調整螺母鉚點方案。

5 結束語

本研究結合汽車齒輪齒條式轉向機的調整螺母裝配量大，低成本以及不需重復拆卸的生產實際，分析了各類螺紋防松方法，得到無需增加新防松零件，裝配便捷，成本低的破壞螺紋副的防松方式為較合適的調整螺母防松方法。以汽車齒輪齒條式轉向機的常用M38×1.5調整螺母為研究對象，對其鉚點方法進行了研究。

本文采用自研的調整螺母鉚點夾具，配合可便捷拆裝鉚頭的鉚點工裝，以鉚頭數量，鉚頭周向分布方式，鉚壓力大小為控制變量，以鉚壓后調整螺母的擰松力矩和轉向機殼體壓塊孔變形量為評價指標，通過鉚點試驗得到，采用6個鉚頭，周向均勻分布在調整螺母螺紋中徑圓上對轉向機調整螺母鉚壓時，對殼體壓塊孔變形量影響較小，對調整螺母防松力矩影響也較小。最終得到了采用6個鉚頭周向均勻分布在調整螺母螺紋中徑圓上，使用30?kN鉚壓力為較優的汽車齒輪齒條式轉向機的調整螺母鉚點方法。

參考文獻

• 楊凱.?乘用車轉向性能正向匹配方法研究[D].?吉林：吉林大學，?2017.
• 靳曉雄，張立軍.?汽車噪聲的預測與控制[M].?上海：同濟大學出版社，?2004：112-115.
• G K Triantafylidis， A S Antoniou. Investigation of the Failure Mechanism by Bending of a rack Steering gear[J]. Journal of Failure Analysis and Prevention. 2011， 11（4）：379-384.
• 邵忍平，孫進才，沈允文等. 齒輪嚙合沖擊噪聲的定量評估[J]. 機械科學與技術，2001，20（3）：340-342.
• 劉長軍.?汽車轉向系統異響的問題解決方案[J].?現代零部件雜志，2012.
• 黃政翔.?齒輪齒條轉向機異響問題分析與解決[J]. 企業技術與發展，2012：54-56.
• 孟永超. 齒輪齒條機械轉向機異響成因淺析[C]//第十屆河南省汽車工程科學技術研討會論文集，?2013.
• 曲莉范，張幫琴. ?C-EPS 系統中轉向機異響問題分析[J].?汽車零部件，2014（7）：47-53.
• 侯世遠. 螺紋聯接松動機理研究[D].?北京：北京理工大學，?2015.
• 侯世遠，廖日東. 螺紋連接松動過程的研究現狀與發展趨勢[J]. 強度與環境，?2014，41（2） ： 39-52.
• 韋增文．淺談商用車常用螺栓結構及防松能力提升方法[J]. 汽車技術，?2016（5） ： 39-40.
• DRAVID S，?TRIPHATI K， CHOUKSEY M. Experimental study of loosening behavior of plain shank bolted joint under dynamic loading[J]. International Journal of Structural Integrity，?2015，?6（1）：26-39. ?
• DRAVID S，?TRIPHATI K，?CHOUKSEY M.?Role of washers in controlling loosening of full threaded bolted joints[C]//2nd International Conference on Innovations in Automation and Mechatronics Engineering，?2014， 14：543-552. ?
• PINELLI JP，?SUBRAMANIAN CS，?TABORA J. Experimental study of breakaway highway sign connections[J]. Journal of Transportation Engineering，?2002，?128（1）：17-20.
• BHATTACHARYA?A，?SEN A，?DAS S.??An investigation on the anti-loosening characteristics of threaded fasteners under vibratory conditions[J]. Mechanism and Machine Theory，?2010，?45：1215-1225. ?
• 景秀并. 雙螺母防松振動性能分析與研究[D]. 天津：?天津大學，?2004. ?
• SAWA T，?ISHIMURA M，?NAGAO T.?A loosening mechanism of bolted joints under repeated transverse displacements[C]//Pressure Vessels & Piping Conference，?2012，?78398：333-341.
• TAKEMASU T， MIYAHARA H. Development of thread rolled anti-loosening bolts based on the double thread mechanism and a performance evaluation[J]. JSME International Journal Series a Solid Mechanics and Material Engineering，?2005，?48（4）：305-310. ?
• SHINBUTSUA T，?AMANOA S，?TAKEMASUB T，?et al. Thread rolling and performance evaluations of a new anti-loosening double thread bolt combining a single thread and multiple threads[C]//International Conference on the Technology of Plasticity，?2017，?207，?603-608. ?
• SASE N，?NISHIOKA K，?KOGA S. An anti-loosening?screw-fastener innovation and its evaluation[J]. Journal of Materials Processing Technology，?1998，?77（1-3）：209-215.
• ZHANG X， XIE J， HOU G. Development of anti-loosening nuts using shape memory alloys[J]. Materials Science Forum，?2000，?327-328：35-38. ?
• NODA N A，?XIAO Y，?KUHARA M，?et al. Optimum design of thin walled tube on the mechanical performance of super lock nut[J]. Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering. 2008，?2（6）： 780-791.
• 魯建華. 帕薩特轉向系的優化設計[J].?汽車維修與保養，2015.09.