徐亮，李昆

(北汽藍(lán)谷麥格納汽車有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

驅(qū)動軸是汽車底盤動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，它連接差速器與驅(qū)動輪，并將發(fā)動機(jī)輸出的扭矩傳遞給車輪驅(qū)動車輛運動[1]。驅(qū)動軸外球籠與制動器輪轂通過柄部花鍵配合傳遞扭矩，并通過鎖緊螺母防止驅(qū)動軸與輪轂之間松脫，如圖1所示。在擰緊驅(qū)動軸鎖緊螺母的同時，伴隨著驅(qū)動軸花鍵拉拔，花鍵的配合關(guān)系影響驅(qū)動軸鎖緊螺母的擰緊狀態(tài)。

圖1 驅(qū)動軸裝配

某些車型在車輛啟動后，掛擋前進(jìn)及緊急制動的瞬間，輪轂附近有清脆異響，嚴(yán)重影響整車的NVH性能[2-5]。針對這一問題，李海亮等[6]對該車型故障原因排查分析，并通過調(diào)整驅(qū)動軸花鍵螺旋角以及增加減摩涂層的方法，解決了輪轂異響問題；王庚川等[7]通過增加花鍵齒厚及花鍵螺旋角，消除了輪轂異響。但增加花鍵螺旋角，會加大花鍵配合的過盈量，給驅(qū)動軸裝配造成困難，這在之前的研究中未被關(guān)注。本文作者在排除零部件質(zhì)量問題后，通過分析某車型驅(qū)動軸擰緊滑牙問題，對驅(qū)動軸柄部螺紋擰緊扭矩及應(yīng)力進(jìn)行分析與校核，并分析了花鍵配合對滑牙故障的影響。通過增加擰緊機(jī)轉(zhuǎn)角監(jiān)控以及驅(qū)動軸拉拔工裝，有效減少擰緊驅(qū)動軸鎖緊螺母時出現(xiàn)的滑牙故障，為提高汽車驅(qū)動軸裝配質(zhì)量提供了一個可行的方法。

1 分析與討論

1.1 驅(qū)動軸柄部螺紋擰緊扭矩分析

擰緊驅(qū)動軸鎖緊螺母時，擰緊扭矩T與克服螺紋副相對轉(zhuǎn)動的阻力矩T1以及螺母支撐面上的摩擦阻力矩T2平衡[8]，即有：

(1)

其中：

(2)

(3)

式(1)中：F為預(yù)緊力，N；d2為螺母的螺紋中徑，mm；ψ為螺紋升角，(°)；ρv為當(dāng)量摩擦角，(°)；f2為螺母與輪轂支撐面間的摩擦因數(shù)；D0、d0分別為螺母環(huán)形端面與輪轂接觸面的外徑、內(nèi)徑，mm。式(2)中：n為螺紋的螺旋線數(shù)；P為螺距，mm。式(3)中：f1為螺紋副間的摩擦因數(shù)；β為牙側(cè)角，(°)。

擰緊扭矩與預(yù)緊力關(guān)系有：

T=KdF

(4)

式(4)中：K為擰緊扭矩系數(shù)；d為公稱直徑，mm。

由式(1)及式(4)得：

(5)

當(dāng)螺母與輪轂接觸面以及螺紋副表面狀態(tài)發(fā)生變化時，會導(dǎo)致摩擦因數(shù)發(fā)生波動。從式(5)中可以看出，擰緊扭矩系數(shù)K會隨著摩擦因數(shù)f1、f2的變化而變化。因而在相同的擰緊扭矩T的作用下，因摩擦因數(shù)f1、f2的不同得到的螺紋軸向預(yù)緊力F也會不同。

1.2 驅(qū)動軸柄部螺紋擰緊應(yīng)力分析

在擰緊驅(qū)動軸柄部的過程中，它受到的拉應(yīng)力σ與預(yù)緊力F的關(guān)系為

(6)

同時，在螺紋摩擦力T1的作用下，驅(qū)動軸柄部受扭，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τT：

(7)

驅(qū)動軸柄部(視為螺栓)為塑性材料 ，按照第四強(qiáng)度理論得到其螺紋當(dāng)量應(yīng)力σca：

(8)

驅(qū)動軸柄部螺紋危險剖面(螺紋小徑)的抗拉強(qiáng)度條件為

σca≤[σ]

(9)

1.3 設(shè)計校核

以某款汽車為例，計算其驅(qū)動軸柄部花鍵螺紋的當(dāng)量應(yīng)力。該車型的花鍵螺紋規(guī)格是24×1.5g，T=230 N·m，d=24 mm，d1=22.376 mm，d2=23.026 mm，n=1，P=1.5 mm，β=30°，f1=0.13，f2=0.13，D0=43.8 mm，d0=30.6 mm。

經(jīng)計算得到ψ=1.189°，ρv=5.278°,K=0.226，F(xiàn)=42 320 N，σ=107.674 MPa，τT=53.425 MPa，σca=177.48 MPa。

驅(qū)動軸選用材料CF53，柄部螺紋屈服強(qiáng)度σs約為510 MPa，許用應(yīng)力[σ]=340 MPa。σca<[σ]，該車型驅(qū)動軸與輪轂緊固扭矩的設(shè)定值符合許用應(yīng)力要求。

1.4 花鍵配合分析

驅(qū)動軸外球籠處通過漸開式花鍵與輪轂配合，影響內(nèi)外花鍵松緊度配合的參數(shù)主要為跨棒距和螺旋角。汽車啟動時，花鍵間的配合間隙會導(dǎo)致底盤異響，行業(yè)內(nèi)通常采用增加花鍵螺旋角度來解決這一問題[6-7]。然而隨著螺旋角的增加，需在驅(qū)動軸柄部施加更大的軸向力才能將驅(qū)動軸拉拔到位。由于加工公差的存在，在擰緊驅(qū)動軸鎖緊螺母時，可能會出現(xiàn)無法將驅(qū)動軸拉拔到位的情況，進(jìn)而導(dǎo)致柄部螺紋達(dá)到屈服點出現(xiàn)滑牙現(xiàn)象。對標(biāo)現(xiàn)代汽車、大眾汽車等工廠，均存在類似的問題。

2 措施與驗證

2.1 增加扭矩轉(zhuǎn)角監(jiān)控

目前，單一的目標(biāo)扭矩控制策略被廣泛使用在總裝廠，但長期的使用效果證明，這樣的擰緊方式存在一定缺陷，并不能十分有效地防止缺陷外溢。在不斷的嘗試與摸索后發(fā)現(xiàn)，使用目標(biāo)扭矩加轉(zhuǎn)角監(jiān)控策略可以有效提高螺紋緊固件的裝配質(zhì)量。

本文作者通過SPC統(tǒng)計學(xué)方法研究驅(qū)動軸緊固點的轉(zhuǎn)角范圍。從MES中調(diào)取150個轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理(剔除異常數(shù)據(jù))。

將150個轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)分為30組，如表1所示。表中：Pi(i=1，2，3，4，5)表示列數(shù)；SGi(i=1，2，......，30)表示行數(shù)；Xi表示SGi行轉(zhuǎn)角平均值；Ri表示SGi行轉(zhuǎn)角極差。

表1 轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)(°)

轉(zhuǎn)角平均值X：

(10)

轉(zhuǎn)角極差平均值R：

(11)

標(biāo)準(zhǔn)偏差σ：

(12)

轉(zhuǎn)角監(jiān)控下限L：

L=X+3σ×1.33

(13)

轉(zhuǎn)角監(jiān)控上限U：

U=X-3σ×1.33

(14)

式中：n=30。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，有轉(zhuǎn)角平均值X=82.71°；轉(zhuǎn)角極差平均值R=29.60°；標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=12.73°；轉(zhuǎn)角監(jiān)控下限L=31.94°；轉(zhuǎn)角監(jiān)控上限U=133.49°。

采用轉(zhuǎn)角監(jiān)控策略控制從門檻扭矩到目標(biāo)扭矩階段螺母旋轉(zhuǎn)的角度，能有效地預(yù)警因花鍵配合過緊導(dǎo)致鎖緊螺母擰緊時轉(zhuǎn)角超出正常范圍而出現(xiàn)滑牙的故障。采用扭矩加轉(zhuǎn)角控制策略后，統(tǒng)計1 000臺汽車驅(qū)動軸鎖緊螺母擰緊過程，有9臺發(fā)生滑牙故障，驅(qū)動軸滑牙故障率從3%降低至0.9%，滑牙故障率有所改善。

2.2 增加驅(qū)動軸拉拔工裝

針對驅(qū)動軸與輪轂花鍵配合時，存在安裝鎖緊螺母過程中無法將驅(qū)動軸拉拔到位的現(xiàn)象，設(shè)計了驅(qū)動軸拉拔工裝，如圖2所示。

利用拉拔工裝保證在安裝鎖緊螺母前，將驅(qū)動軸100%拉拔到位。工藝流程為：(1)在安裝鎖緊螺母前，安裝拉拔頭至驅(qū)動軸柄部；(2)使用拉拔工裝將驅(qū)動軸拉拔到位，拆除拉拔頭；(3)預(yù)擰鎖緊螺母至驅(qū)動軸柄部3-4牙；(4)操作擰緊

機(jī)擰緊鎖緊螺母。增加驅(qū)動軸拉拔工裝后，統(tǒng)計1 000臺份，故障發(fā)生頻次為0。

3 結(jié)論

本文作者通過分析某車型驅(qū)動軸擰緊時的滑牙問題，對驅(qū)動軸柄部螺紋擰緊扭矩及應(yīng)力進(jìn)行分析與校核，并分析了它與花鍵的配合，得到以下結(jié)論：

(1)花鍵配合緊是導(dǎo)致驅(qū)動軸擰緊滑牙的主要原因；

(2)通過扭矩轉(zhuǎn)角監(jiān)控策略可以有效地預(yù)警滑牙故障的發(fā)生，以便提前采取措施，減少滑牙故障的發(fā)生；

(3)通過增加驅(qū)動軸拉拔工裝，可以避免因花鍵配合問題導(dǎo)致的驅(qū)動軸鎖緊螺母擰緊滑牙故障。