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        螺紋連接計算分析方法及應(yīng)用

        2023-03-03 01:12:08楊秋榕蘇雨濤YangQiurongSuYutao
        北京汽車 2023年1期
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)向節(jié)連接件校核

        楊秋榕,蘇雨濤Yang Qiurong,Su Yutao

        螺紋連接計算分析方法及應(yīng)用

        楊秋榕,蘇雨濤
        Yang Qiurong,Su Yutao

        (北京汽車研究總院有限公司 整車架構(gòu)中心,北京 101300)

        基于VDI(Verein Deutscher Ingenieure,德國工程師協(xié)會)2230計算準則,闡述螺紋連接的計算及分析方法。運用MDesign bolt計算軟件,對某車型控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點開展理論分析計算,對螺紋連接的夾緊力、螺栓強度、材料表面應(yīng)力、連接抗滑移性能等多項關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行分析校核。分析結(jié)果表明,控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)螺紋連接設(shè)計的螺栓強度、抗滑移能力等均滿足服役工況需求。

        螺紋連接;夾緊力;抗滑移安全系數(shù)

        0 引 言

        螺紋連接是汽車的一種重要連接方式,其可靠性對整車性能有至關(guān)重要作用,其設(shè)計及驗證越來越受到車企重視。20世紀70年代,德國提出了高強度螺紋連接系統(tǒng)的計算準則—VDI(Verein Deutscher Ingenieure,德國工程師協(xié)會)2230,用于指導(dǎo)螺紋連接設(shè)計及計算,至今國內(nèi)外各大車企仍將VDI2230作為螺紋連接正向開發(fā)設(shè)計及校核的準則[1-2]。

        1 螺紋連接計算方法

        VDI2230準則將螺栓和被連接件的力學行為視為一對相互作用的彈簧,螺栓受拉伸,被連接件受壓縮。當無外載荷作用時,螺栓張力和被連接件壓力大小相等;當螺紋連接受到外載荷作用時,沿螺栓徑向的外載荷由被連接件之間摩擦力來抵消,沿螺栓軸向的外載荷由螺栓和被連接件共同分擔,螺栓和被連接件之間的剛度或柔度比決定了二者所分配載荷的比例。此外,計算時還須考慮擰緊過程中接觸表面之間發(fā)生微觀塑性變形導(dǎo)致的嵌入損失,以及由于溫度變化引起的夾緊力損失。

        螺紋連接的基本計算式為

        式中:M max為需求最大裝配夾緊力;M min為需求最小裝配夾緊力;A為擰緊系數(shù),與擰緊工藝及工具有關(guān);kerf為必須最小夾緊力;為載荷因子,與螺栓和被連接件的柔度比相關(guān);A為沿螺栓軸向的外載荷;Z為嵌入損失,即由于裝配過程中表面微觀塑性變形造成的夾緊力損失;DVth為溫度變化導(dǎo)致的預(yù)緊力變化。

        當螺紋連接的目的主要為傳遞載荷,且無其他密封需求時,必須最小夾緊力kerf計算式為

        式中:Qmax為沿螺栓徑向的最大外載荷;tmax為作用在螺栓軸向的轉(zhuǎn)矩;F和M分別為螺紋連接中傳遞沿螺栓徑向外載荷和螺栓軸向轉(zhuǎn)矩的接觸面的數(shù)量,一般為1或2;Tmin為被連接件接觸面間最小摩擦系數(shù);a為被連接件接觸面的等效半徑。

        根據(jù)式(1)、(2),可獲得在一定外載荷作用下,螺紋連接抵抗外載荷的需求夾緊力,理論驗證螺紋連接設(shè)計能否滿足外載荷作用的正常服役,避免夾緊力過小使被連接件分開,或夾緊力過大使被連接件變形或螺栓斷裂,以此對螺栓的擰緊工藝進行初步理論驗證。根據(jù)VDI2230準則,螺紋連接系統(tǒng)計算步驟分為R0~R13共14步,由3部分組成:(1)輸入條件,包含外載荷、螺栓規(guī)格、螺紋連接系統(tǒng)各項設(shè)計參數(shù)等;(2)計算需求夾緊力,主要基于式(1)進行計算;(3)基于前面的計算結(jié)果,進行各項性能校核,包含裝配夾緊力、螺栓強度、表面應(yīng)力、螺紋連接抗滑移能力,以及內(nèi)螺紋嚙合長度等。

        目前,螺紋連接的計算可借助軟件完成,文中以某車型控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)安裝部位為例,以計算軟件為輔助工具,對螺紋連接進行計算分析。

        2 應(yīng)用實例

        借助MDesign bolt計算軟件,對螺紋連接進行計算分析。

        2.1 基本信息

        某車型控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)安裝部位結(jié)構(gòu)如圖1所示。螺紋規(guī)格為M12×1.5 mm,扭矩初步設(shè)定為120 Nm,采用扭矩法擰緊,轉(zhuǎn)向節(jié)材料為鑄造鋁合金,控制臂襯套材料為鋼,表面狀態(tài)為機加工。

        圖1 控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)安裝結(jié)構(gòu)示意

        2.2 輸入?yún)?shù)

        服役工況下螺紋連接承受的外載荷是最關(guān)鍵的輸入條件,其他主要輸入?yún)?shù)包含驅(qū)動端螺栓/螺母頭下及螺紋最小摩擦系數(shù),被連接件的材料、尺寸、厚度以及被連接件之間的摩擦系數(shù)等。通過整車CAE分析結(jié)果可知,螺紋連接承受的整車坐標系下的工況載荷3力3矩分別為:F=-64 N,F=9 288 N,F=1 848 N,M=14.9 Nm,M=-54.4 Nm,M=0.94 Nm。軟件計算采用螺栓坐標系載荷,將以上工況載荷轉(zhuǎn)化為螺栓坐標系下工況載荷:沿螺栓軸向的外載荷A=263 N,沿螺栓徑向的外載荷Q=9 647 N,沿螺栓軸向作用的轉(zhuǎn)矩t=14.95 Nm。驅(qū)動端螺栓/螺母頭下支撐面及螺紋最小摩擦系數(shù)取值為0.1,控制臂襯套與轉(zhuǎn)向節(jié)之間摩擦系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗取值為0.25,控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)之間的接觸面數(shù)量為2,載荷傳遞表面數(shù)量F和M取值為2,該部位服役環(huán)境溫度變化較小,計算時忽略溫度的影響,即DVth為0。

        2.3 輸出結(jié)果

        將相關(guān)參數(shù)信息輸入MDesign bolt,軟件依據(jù)VDI2230準則完成計算。主要計算結(jié)果為:該連接點在120 Nm裝配扭矩下可獲得的最高夾緊力M zul為66.04 kN,克服外載荷需求最小裝配夾緊力M min為24.06 kN,考慮扭矩法擰緊系數(shù)A=1.6,克服外載荷需求最大裝配夾緊力M max為38.49 kN,螺栓屈服夾緊力M 02為76.12 kN;各表面接觸應(yīng)力值均小于被連接材料許用應(yīng)力。

        裝配狀態(tài)下螺栓和被連接件的位移量與夾緊力關(guān)系如圖2所示。

        注:lS Mzul為螺栓在裝配時的拉伸位移量,lP Mzul為被連接件在裝配時的壓縮位移量,F(xiàn)Z為嵌入損失。

        2.4 結(jié)果分析

        完成軟件計算獲得各項參數(shù)值后,對螺紋連接各項性能進行分析校核,具體如下。

        1)螺栓強度校核

        軟件根據(jù)輸入的螺紋連接的結(jié)構(gòu)、尺寸及剛度信息等計算得到載荷因子=0.172。沿螺栓軸向的外載荷A=263 N,其中由螺栓分擔的軸向載荷為A×263 N×0.172=45.24 N。螺栓裝配夾緊力、軸向載荷以及螺栓所承受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,三者疊加得到螺栓的等效應(yīng)力為779.97 MPa,螺栓的屈服強度標準最小值為936 MPa,計算得到螺栓屈服安全系數(shù)F=936 MPa/779.97 MPa =1.20,屈服安全系數(shù)大于1,滿足設(shè)計需求。

        當螺紋連接承受的橫向載荷克服被連接件之間的摩擦時,會使螺栓承受剪切應(yīng)力,軟件計算得到螺栓抗剪安全系數(shù)A=6,大于VDI 2230標準推薦值1.1,滿足設(shè)計需求。

        2)裝配扭矩校核

        在120 Nm裝配扭矩下,螺紋連接產(chǎn)生的夾緊力為38.49~66.04 kN,大于連接需求夾緊力24.06 kN,滿足外載荷需求;螺栓的利用率(裝配夾緊力/螺栓屈服夾緊力)為54.23%~86.76%,符合扭矩法擰緊螺栓利用率的推薦值50%~90%,裝配扭矩定義較為合理。

        3)接觸面強度校核

        螺紋連接中,螺栓承受拉應(yīng)力,被連接件承受壓應(yīng)力。若被連接件壓潰或產(chǎn)生明顯的塑性變形,會導(dǎo)致夾緊力損失或扭矩衰減;因此,被連接件所承受的表面應(yīng)力不應(yīng)超過材料允許表面應(yīng)力(或材料表面抗壓安全系數(shù)P≥1)。該螺紋連接中襯套尺寸大于螺栓/螺母頭下支撐面尺寸,則最易發(fā)生壓潰的表面為轉(zhuǎn)向節(jié)與螺栓/螺母頭下支撐面接觸的表面,計算得到二者裝配后所承受的壓應(yīng)力為222.01 MPa,轉(zhuǎn)向節(jié)材料的抗壓強度為368.75 MPa,計算得到接觸面的抗壓安全系數(shù)P=222.01 MPa/368.75 MPa=1.66,大于1,滿足要求。

        4)抗滑移能力校核

        螺紋連接的徑向載荷通過接觸面之間摩擦傳遞。當外載荷超過接觸面摩擦所提供的抗滑移力時,會導(dǎo)致連接發(fā)生滑移失效。螺紋連接的抗滑移能力與夾緊力和接觸面之間摩擦系數(shù)成正比。采用抗滑移安全系數(shù)SG來評估螺紋連接的抗滑移能力。通過計算得到在該裝配工藝下,連接可用于抵抗滑移的剩余夾緊力為38.794 kN;在外載荷作用下,連接抵抗滑移需要的夾緊力為21.355 kN,則抗滑移安全系數(shù)SG=38.794 kN/21.355 kN=1.81,大于DVI2230標準推薦值1.2,抗滑移性能滿足服役工況要求。

        5)嚙合長度校核

        螺紋連接中,螺紋拉脫失效形式不易察覺,須保證內(nèi)外螺紋具有足夠的嚙合長度,確保承受外載荷時螺栓在內(nèi)外螺紋拉脫前發(fā)生斷裂。當螺栓與螺紋套管或內(nèi)螺紋孔連接時,須關(guān)注內(nèi)螺紋嚙合長度的計算校核。當螺栓與標準焊接螺母配合,由于焊接螺母的強度性能指標一般執(zhí)行GB/T 3098.2—2015要求,大于同等級螺栓的螺紋強度[3],故無需再進行螺紋嚙合長度的校核,此連接屬于這種情況。

        綜上,依據(jù)VDI2230計算準則對某車型控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)安裝部位的螺紋連接進行軟件計算,得到了螺紋連接服役需求夾緊力等參數(shù),并對螺栓強度、裝配扭矩、表面應(yīng)力、連接的抗滑移性能等進行分析校核,各項設(shè)計參數(shù)均滿足設(shè)計目標要求。

        3 計算精度的影響因素

        整車服役工況載荷、各項摩擦系數(shù)是螺紋連接設(shè)計計算的關(guān)鍵輸入條件,會直接影響計算結(jié)果。汽車承受的工況極其復(fù)雜,包含極限沖擊工況、常規(guī)操作工況,甚至部分濫用工況、誤操作工況等,工況設(shè)定是設(shè)計計算的首要問題。

        摩擦系數(shù)分為螺紋摩擦系數(shù)、螺栓頭下摩擦系數(shù)和被連接件抗滑移面摩擦系數(shù),其中螺紋摩擦系數(shù)、螺栓頭下摩擦系數(shù)直接影響著扭矩與夾緊力的關(guān)系,摩擦系數(shù)大,則特定裝配扭矩下獲得的螺栓夾緊力小。通常國內(nèi)汽車行業(yè)可將螺栓、螺母摩擦系數(shù)控制在一定范圍,但是對被連接件無法實現(xiàn)摩擦系數(shù)的控制,這使計算時輸入的摩擦系數(shù)與實際情況不一致。此外,抗滑移摩擦系數(shù)直接影響螺紋連接的抗滑移能力,抗滑移摩擦系數(shù)越大,螺紋連接抗滑移能力越強。在特定工況下,螺紋連接抵抗外載荷所需的夾緊力與被連接件抗滑移面摩擦系數(shù)呈反比關(guān)系。目前國內(nèi)尚無可直接借鑒的抗滑移面摩擦系數(shù)參考值,需通過試驗測試獲得,取值范圍通常較大。

        當螺紋連接中存在結(jié)構(gòu)間隙,會額外消耗夾緊力,使需求夾緊力增大[4],如圖3所示,為便于裝配,控制臂襯套與轉(zhuǎn)向節(jié)U型支架間通常保留一定間隙,此間隙在螺栓擰緊過程中逐步減小,最終實現(xiàn)鈑金和襯套夾緊貼合。螺紋連接的夾緊力消耗與間隙大小、材料剛度等相關(guān),可通過實物測試或有限元分析方法獲得。

        圖3 控制臂襯套與轉(zhuǎn)向節(jié)之間存在結(jié)構(gòu)間隙

        4 結(jié)束語

        基于VDI2230計算準則,結(jié)合某車型控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接部位,對螺紋連接的計算方法及分析過程進行較詳細闡述。通過MDesign bolt軟件,計算得到螺紋連接需求夾緊力等各項參數(shù),并對控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接結(jié)構(gòu)進行螺栓強度、裝配扭矩、表面應(yīng)力和連接抗滑移性能等方面的分析校核,經(jīng)過分析可知,螺紋連接設(shè)計滿足整車服役目標要求。

        [1]酒井智次.螺紋緊固件連接工程[M]. 柴之龍,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2016:27-29.

        [2]Verein Deutscher Ingenieure.Systematic Calculation of Highly Stressed Bolted Joints-Joints with One Cylindrical Bolt:VDI2230[S]. 2014.

        [3]張鴻雁,莫立權(quán),喻煒. 消隙力對緊固連接的影響分析[J].北京汽車,2021(6):14-15,21,44.

        [4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.緊固件機械性能螺母:GB/T 3098.2—2015[S].北京:中國標準出版社,2015.

        2022-09-06

        1002-4581(2023)01-0038-04

        U463.460.2

        A

        10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.009

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