「设计开发专栏」扭矩-转角法安装转向机的开发计算和校核

在车型开发过程中,由于选用的副车架和转向机的结构限制和成本原因,转向机和副车架的连接点只有 2 个，同时螺栓的直径，不能随意加大。

同一个平台上开发不同的车型时， 转向拉杆的拉力大小不同，当力值增大时，如果仍然使用扭矩法,由于摩擦系数的散差很大（μ=0.10~0.16）,导致螺栓提供的最小夹紧力不能满足转向拉力的需求。

同时,转向机外壳的材料多数是铝合金，铝合金的极限表面压力值低，螺栓提供的最大轴向力会使转向机的连接面压溃,所以要控制螺栓的最大轴力。

扭矩-角度控制法（也称转角法）是将螺栓与螺母的相对回转角度，作为指标进行预紧力控制的方法，可在弹性区-低于屈服点转角法和塑性区使用-过屈服点转角法。

相对扭矩法，转角法因通过转角直接控制螺栓伸长量，拧紧后能获得较小的预紧力散差，通常在±15%左右。

这个方法，是目前可以批量生产时更高更精确地控制螺栓预紧力的方式。

本文通过转向机安装实例，来说明扭矩转角法的开发过程，将螺栓夹紧力控制在一个比较小的范围内，既满足最小夹紧的要求，又使连接面不被压溃。

假设，转向机拉杆最大拉杆力F=12KN，转向机通过2个相同的螺栓和螺母组合固定和在副车架上，螺栓是M14×1.5 10.9级六角法兰面螺栓，螺母是M14 10级非金属嵌件六角法兰面锁紧螺母。

转向机和车架之间的摩擦系数μT=0.15，螺栓和螺母之间的摩擦系数μG=0.10~0.16。

螺母法兰面摩擦直径dw=27.6mm，连接孔直径dh=15.5mm, 螺纹中径d2=d-0.6495P=14-0.6495×1.5=13.0257mm。

01

分析连接点处的受力

转向机通过转向拉杆给车轮提供转向力，车轮反作用于转向拉杆同等大小的力。

转向机和车架之间必须提供摩擦力和这个外力平衡。

摩擦力Fq=S×F=1.5×12=18KN, 式中：S是安全系数，F是最大拉杆力。

02

求出螺栓必须提供的最小夹紧力

式中：n是螺栓的个数，uT是转向机和车架之间的摩擦系数。

03

求出连接面的极限表面压力

转向机外壳的接触应力

螺母法兰支承面的较小的面积

连接面极限表面压力

从计算中得到,螺栓提供的最大夹紧力不能大于86KN。

04

计算拧紧力矩M=180±10Nm提供的夹紧力

当拧紧力矩M=180±10Nm，螺栓拧紧后，当扭矩最小,Mmin=170Nm，螺栓和螺母之间的摩擦系数最大，μGmax=0.16时，螺栓的轴力最小：

当拧紧力矩M=180±10Nm,螺栓拧紧后，当扭矩最大,Mmax=190Nm，螺栓和螺母之间的摩擦系数最小，μGmin=0.10时，螺栓的轴力最大：

从计算中可以看出，当螺栓螺母选定后，螺栓的常用扭矩最大和最小的轴向力都不能满足要求。而且既不能降低扭矩。

否则,最小轴力更不合格，也不能提高扭矩，否则最大轴向力会更大，连接面会压溃。

于是,改用扭矩转角法来解决问题,而且为了控制螺栓最大的轴向里，必须选用在弹性区-低于屈服点的转角法。

05

计算螺栓柔度

06

计算被夹紧件的柔度

将被夹紧件分成三个部分:

套管柔度计算公式:

07

确定扭矩转角法的工艺参数

对于扭矩+转角法拧紧，首先，需要施加一个起始扭矩，消除被夹紧零件间的间隙，翘曲等。起始扭矩一定要合理，不能过小，要保证所有的结合面完全闭合。

实践经验中，利用扭矩法的同规格螺栓推荐扭矩的下限值作为阈力矩，比如：M14′1.5 10.9级螺栓，推荐扭矩18015Nm, 可以使用160Nm或者150Nm作为起始力矩,如果被连接件的间隙容易消除,这个扭矩还可以更小一些。

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来源：GAF螺丝君