于明

重卡變速器中大扭矩定扭反力問題的研究和應(yīng)用

于明

（陜西法士特齒輪有限公司汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710077）

文章通過對(duì)法蘭盤凸緣螺母處機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)電動(dòng)定扭設(shè)備擰緊原理進(jìn)行深入研究，對(duì)法蘭盤凸緣螺母在定扭擰緊時(shí)的受力情況建立力學(xué)模型，得到了重型商用車變速器法蘭盤定扭擰緊時(shí)的受力情況，從而給出最為經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定的抗反方案，為以后法蘭盤定扭推廣打下了理論基礎(chǔ)，并給出了法蘭盤凸緣螺母定扭擰緊時(shí)的反力裝置模型，簡化了法蘭盤定扭擰緊的反力裝置結(jié)構(gòu)，并降低了法蘭盤定扭方案的難度和成本。

法蘭盤凸緣螺母；受力分析；力學(xué)模型；反力裝置

1 背景

螺栓連接在機(jī)械裝配領(lǐng)域是一種最為普遍的連接方式，因?yàn)槠鋺?yīng)用簡單，擰緊可靠，成本低、可重復(fù)利用而被廣泛應(yīng)用。重卡變速器輸出法蘭是用凸緣螺母將法蘭盤和輸出主軸進(jìn)行連接，而從將扭矩輸出的，如果凸緣螺母未擰緊松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的質(zhì)量事故，故此處的凸緣螺母的防送非常重要，此處螺栓除了采用尼龍防送外，最主要的防送方式還是足夠的夾緊力，為了保證夾緊力，本公司引進(jìn)了電動(dòng)定扭設(shè)備，然而由于此處擰緊力矩較大，故抗反防轉(zhuǎn)就成了整個(gè)問題的關(guān)鍵。

本文就是通過對(duì)變速器輸出法蘭盤凸緣螺母處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過對(duì)電動(dòng)定扭設(shè)備進(jìn)行深入研究，建立定扭擰緊時(shí)的力學(xué)模型，從而揭示法蘭盤凸緣螺母定扭擰緊時(shí)反力情況的本質(zhì)，從而對(duì)生產(chǎn)中定扭方案進(jìn)行指導(dǎo)，建立最簡化的康反防轉(zhuǎn)機(jī)械模型，為以后大扭矩定扭設(shè)備的推廣做好理論儲(chǔ)備。

2 法蘭盤凸緣螺母的結(jié)構(gòu)分析及力學(xué)建模

2.1 法蘭盤凸緣螺母處結(jié)構(gòu)圖

變速器輸出法蘭盤和副箱輸出軸是花鍵連接，通過凸緣螺母和輸出軸軸端螺紋連接將法蘭盤鎖緊。然而，輸出軸在螺母擰緊時(shí)處于旋轉(zhuǎn)方向自由狀態(tài)，輸出軸帶動(dòng)法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)，故如果不能限制輸出軸即輸出法蘭盤隨螺母擰緊時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，那么螺母很難擰緊，且大扭矩?cái)Q緊必須有反力裝置謝力，才不至于在擰緊操作過程中對(duì)操作人員產(chǎn)生傷害。

圖1 法蘭盤凸緣螺母處機(jī)構(gòu)圖

在沒有實(shí)現(xiàn)定扭擰緊之前，法蘭盤擰緊使用沖擊扳手?jǐn)Q緊，需要不斷的停頓，多次擰緊才能達(dá)到擰緊的效果，而如果使用定扭工具，則沒有辦法規(guī)避擰緊時(shí)法蘭盤的轉(zhuǎn)動(dòng)問題和隨之產(chǎn)生的反力。

2.2 擰緊時(shí)的力學(xué)建模及受力分析

定扭工具內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，在此不做敘述，根據(jù)對(duì)國際一流大扭矩定扭擰緊設(shè)備進(jìn)行研究分析，定扭擰緊設(shè)備可以簡單的分為減速裝置、擰緊裝置、控制裝置，有的廠家將減速裝置內(nèi)置與槍體內(nèi)，從內(nèi)部看是一體的，而簡單的將槍體我們可以看到擰緊槍體有固定部分和旋轉(zhuǎn)部分，且兩部分由內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)相連接組成。

圖2 力學(xué)模型

如圖2所示，在定扭擰緊過程中，擰緊設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生擰緊力矩N1，旋轉(zhuǎn)部分通過四方和套筒固連，而套筒抓緊凸緣螺母的外六方，于此同時(shí)也和旋轉(zhuǎn)部分固連于一體。此時(shí)槍體的擰緊部分+套筒+凸緣螺母固化為一體，為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，力矩為N2。而系統(tǒng)的另一端，輸出主軸通過花鍵連接與法蘭盤成為一體，與槍體固定部分，與通過花鍵連接的反力裝置，通過銷軸和法蘭盤的孔連接聯(lián)動(dòng)，故此時(shí)槍體固定部分+法蘭盤+輸出主軸固化為一體，為靜止部分，此部分的產(chǎn)生反力距N3。此過程將反作用力轉(zhuǎn)化為反力裝置上的銷軸的剪切力，將反力抵消在設(shè)備內(nèi)部，最終起到了防轉(zhuǎn)抗反作用，理論計(jì)算如下。

經(jīng)過分析可知：

N= N=- N（1）

故可以根據(jù)力矩：

（2）

F=N/M （3）

其中：N-轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；

F-力；

M-法蘭盤連接孔的分布圓半徑。

求出銷子所需要承受的剪切力，再根據(jù)工程力學(xué)分析可求出銷子的直徑，給出足夠的安全余量，既可以通過簡易的機(jī)械結(jié)構(gòu)，消除大扭矩定扭產(chǎn)生的反力。

3 反力裝置力學(xué)模型的建立

3.1 文章背景

近年來我公司著力于整體提高產(chǎn)品質(zhì)量，公司全面推進(jìn)定扭擰緊工具的推廣，而法蘭盤凸緣螺母擰緊工位是滲漏油問題、軸承質(zhì)量控制、外連接部位的關(guān)鍵工位，故此處定扭擰緊技術(shù)的推廣顯得尤為重要。

根據(jù)前期的工作可知，我公司的法蘭盤凸緣螺母工位基本上已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)定扭技術(shù)，但是在推廣的過程中我們發(fā)現(xiàn)在我們選擇任何一種定扭擰緊產(chǎn)品時(shí)，我們遇到的問題就是反力裝置如何設(shè)計(jì)，考慮到這一點(diǎn)懸掛或者支持裝置就會(huì)及其龐大和復(fù)雜。

圖3 轉(zhuǎn)機(jī)式反力裝置

如圖3為我公司某條裝配線上的法蘭盤凸緣螺母的專用定扭擰緊機(jī)，選取國際一流品牌的擰緊軸，然而整個(gè)設(shè)備占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)殼內(nèi)每一個(gè)結(jié)構(gòu)都可能成為設(shè)備的維修的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，而且設(shè)備整體價(jià)格昂貴。

圖4、5 立柱式法蘭盤工位定扭擰緊設(shè)備

如圖4為我公司某條裝配線上的法蘭盤凸緣螺母的設(shè)備，選取某國際一流品牌的擰緊軸。整個(gè)設(shè)備采用立柱式機(jī)械臂來抓取定扭擰緊軸槍體從而來反抗擰緊過程中所產(chǎn)生的反力，設(shè)備占地面積大，需要回轉(zhuǎn)的空間大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)氣動(dòng)控制和電控，故障點(diǎn)多。圖5為反力裝置負(fù)責(zé)，龐大，使用不便。

3.2 反力裝置模型

根據(jù)文章2.2所述的力學(xué)模型分析，我們可知系統(tǒng)定扭擰緊時(shí)產(chǎn)生的反力已經(jīng)通過簡單的反力裝置根據(jù)定扭槍體的旋轉(zhuǎn)部分和固定部分運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立的原理抵消于系統(tǒng)內(nèi)部，故圖2的這個(gè)系統(tǒng)只要采取簡單的吊裝懸掛機(jī)構(gòu)進(jìn)行吊裝，就可以達(dá)到抗反力的作用。

圖6 反力裝置模型

根據(jù)力學(xué)分析可知，我們?cè)诜ㄌm盤凸緣螺母擰緊過程中，基本的反力裝置模型如圖所示，在以后的定扭擰緊方案設(shè)計(jì)中，只要根據(jù)實(shí)際情況，選取合適的定扭擰緊工具，通過設(shè)計(jì)銷軸的尺寸來適應(yīng)大扭矩定扭過程中產(chǎn)生的反力，便可以自行設(shè)計(jì)合理的反力裝置達(dá)到定扭控制的作用，節(jié)省成本，降低了擰緊設(shè)備的負(fù)責(zé)程度，規(guī)避了不必要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

3 小結(jié)

隨著市場對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提升，制造業(yè)中裝配質(zhì)量得要求急速提升，為了在引進(jìn)先進(jìn)定扭技術(shù)時(shí)不至于進(jìn)行不必要的投入，需要對(duì)定扭設(shè)備的擰緊及相關(guān)原理進(jìn)行深入研究，本文通過對(duì)法蘭盤凸緣螺母處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立了法蘭盤凸緣螺母定扭擰緊時(shí)的力學(xué)模型，通過分析我們了解到了在定扭過程中的力學(xué)本質(zhì)，搞清楚了反力產(chǎn)生的原因。借此，可以了解法蘭盤凸緣螺母擰緊過程中的反力裝置起到的力學(xué)作用，最后建立簡化的反力裝置模型，為以后公司在法蘭盤定扭方案的制定上提供了理論基礎(chǔ)。

[1] 劉力厚,潘穎,曹麗杰.理論力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社.2016.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).潤滑與密封[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社. 2004.

The Application Research on the Counter-Force of Fixed Torque about Heavy Truck Transmission

Yu Ming

( Fast Auto Drive Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710077 )

The article shows the most economical and stable anti-Counter-Force solution on the basis of analysis about the flange mechanism, the study of fixed equipment and building the force modle. then, the paper shows the ant- Counter- Force solution modle which solution can reduces the cost and mechanism.

Flange nut; Stress analysis; Mechanical model; Counterforce device

U463

A

1671-7988(2019)18-196-03

U463

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1671-7988(2019)18-196-03

于明（1985-），女，碩士，裝配工藝工程師/工程師，就職于陜西法士特齒輪有限公司汽車傳動(dòng)工程研究院，從事變速器裝配工藝研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.067