锥孔连接螺母力矩设定及改善

王雪冰

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程研究中心，河北保定 071000)



锥孔连接螺母力矩设定及改善

王雪冰1，2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程研究中心，河北保定 071000)

针对工程实践中球销安装问题，通过对螺纹及锥孔的力学分析，建立了锥孔表面应力及各力矩之间的理论表达式，得出了锥孔连接所允许的最大拧紧力矩，通过计算同结构不同锥度及同锥度不同孔径锥孔允许的最大拧紧力矩，得出锥孔锥度对最大拧紧力矩有较大的影响的结论。

锥孔连接；应力分析；球销轴力；最大力矩

0 引言

汽车主销轴线是汽车前悬架设计重点。为了保证主销轴线位置精度，在悬架结构设计中，通常采用球销连接结构。目前，大多数汽车厂采用力矩法拧紧紧固件。球销拧紧力矩采用对标标杆车型球销拧紧力矩或采用国标螺栓推荐使用力矩。由于车辆在使用过程中，螺栓力矩存在衰减现象，再加上各种汽车厂使用的拧紧工艺不一，因此无法准确获取标杆件球销拧紧力矩；再由螺栓安装面与球销锥面之间的差别，查阅国家标准的力矩不能完全适合锥孔连接。因此，在实际生产中，经常出现锥孔球销相对于被连接件发生轴向位移，导致锥孔被撑大以及球销安装座的密封圈受压后，产生露脂现象。图1所示为球销连接结构。

图1 锥孔球销连接的结构图

1 力的分析

球销锥孔连接，施加的拧紧力矩主要克服：(1)螺母法兰面摩擦力矩；(2)螺纹处摩擦力矩。球销所受到的力矩及力：(1)锥孔表面相对于锥孔轴线的摩擦力矩Mf2；(2)螺纹处摩擦力矩Mf1；(3)球销轴向拉力Fa；(4)沿锥孔壁切线方向向下的摩擦力Ff，如图2所示。由此在锥孔表面产生相应的应力，如图3所示。

图2 球销受力图

其中：Mf2=Mf1；σ为锥孔表面正应力；τ1为阻碍球销向上移动派生的切向摩擦力；τ2为阻碍球销旋转沿圆周方向的切向应力。

根据力与力矩平衡，可以得到锥孔表面单元应力平衡图，如图4所示。

图4 锥孔表面单元应力平衡图

按照三向质点平衡的强度条件[4]：

(1)

2 应力计算

建立如图5所示的模型进行受力分析。

图5 建立模型图

锥孔表面函数为：

(2)

认为此处锥孔表面受力均匀，根据力平衡、图6及式(2)可以建立以下关系式：

(3)

其中：σy=σcosα；τ1=μkσ；τ1y=μkσsinα;μk为球销与锥孔之间的摩擦因数。

(4)

图6 单元应力

3 螺栓受力计算

3.1 法兰面摩擦力矩Mf1计算

(5)

其中：μ1为端面摩擦因数；r1为法兰面接触印迹内圆直径；r2为法兰面接触印迹外圆直径。

3.2 螺纹受力计算

螺纹受力可以用图7表示，螺纹处摩擦力矩为：

(6)

其中：F为螺纹中径处圆周方向切向力；γ为螺纹升角；μ2为螺纹处当量摩擦因数。

图7 螺纹处力平衡图

4 应用举例

σs1=310 MPa，球销材料σs2=780 MPa，螺纹为：M14×1.5，螺纹中径d=13.025 mm，螺母r1=27.6 mm，r2=14.8 mm，螺母端面摩擦因数μ1=0.12，螺纹处当量摩擦因数μ2=0.11；锥孔尺寸：a=7.4 mm，b=9 mm，锥孔锥度为1∶6，锥孔表面的摩擦因数μk=0.12；

由公式(3)得：134.027σ=Fa；τ1=0.12σ

由公式(4)、(5)得：τ2=0.000 160 589Fa

将以上结果代入公式(1)，要求总应力小于310 MPa，得：Fa=41 242.97 N，σ=307.72 MPa，τ1=36.93 MPa、τ2=6.62 MPa，螺栓法兰面摩擦力矩Mf1=54.05 N·m，螺纹处摩擦力矩Ms=39.88 N·m，允许最大拧紧力矩Mtot=93.93 N·m。

5 锥孔连接改善

当锥孔连接发生屈服变形后，为了保证连接夹紧力，工程中一般不降低螺母拧紧力矩，而是调整锥孔尺寸。而将锥孔随意改大，再进行CAE分析或试装，具有结果不可控及费时的缺点，因此找出螺母允许力矩与锥孔尺寸之间的变化趋势对改善锥孔连接具有指导意义。以上述锥孔为列，当锥孔高度及锥孔小端直径不变时，改变孔锥度，计算球销最大拧紧力矩，结果见表1；当锥度不变，通过增大孔小端孔径改善锥孔连接，允许最大力矩见表2。

表1 锥孔允许最大力矩N·m

表2 锥孔允许最大力矩

通过表1、表2可以得出：改变锥孔锥度比改变锥孔孔径更易提高连接强度。

6 总结

文中研究对球销连接设计及球销连接失效后的产品更改具有指导意义，主要表现在：(1)分析了锥孔连接中，锥孔表面应力及应力之间的关系；(2)通过理论计算，得出各应力的理论表达式，并可以计算出理论应力值及允许的球销螺母最大拧紧力矩；(3)在不改变拧紧力矩时，计算得出通过减小锥孔锥度比增大锥孔孔径更易满足锥孔连接强度。

【1】濮良贵.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2001.

【2】孙桓.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

【3】刘洪文.材料力学[M].4版.北京：高等教育出版社，2004.

【4】刘大斌,韩文坝,蔡冰清,等.强度理论与实验现象[J].中国工程科学，2007,9(12):44-52.

LIU D B,HAN W B,CAI B Q,et al.Intensity Theory and Test Verification[J].Engineering Science,2007,9(12):44-52.

隐形的儿童乘员“杀手”，你知道吗？

在一般人的认知里，儿童座椅的作用就是在汽车发生碰撞的时候能够保护儿童，避免儿童出现碰撞创伤。很少人了解到除了碰撞创伤，儿童座椅材料释放的有害物质会对儿童的健康造成非常大的危害，比如在生产制造产品时，为了达到国家标准，有些企业会加入一些添加剂，或使用违禁化学物品，尽管产品达到了国家标准，但是其副作用毒害也伴随着产品流向消费者，将对孩子会造成无法预料的伤害。

目前在儿童安全座椅行业，就存在类似的情况，一些不负责任的企业为了满足座椅面料的阻燃性标准，经常会使用一些溴化物等化学品，然而这类毒性物质不仅会伤害儿童稚嫩的皮肤，还可能导致癌变，其副作用贻害无穷。

为促进儿童道路交通安全技术进步，呼吁社会各界关注儿童道路交通安全，2016年9月21日，由中国汽车技术研究中心主办、巧儿宜(中国)有限公司协办的“2016第二届中国儿童道路交通安全研讨会”在上海成功举办。

巧儿宜(中国)有限公司总经理程翰先生为研讨会致辞，表示“巧儿宜”作为有社会责任的企业，一定会把生产更安全的儿童座椅产品作为企业的最高宗旨，坚定不渝地履行企业的社会责任，为保护儿童安全不断努力前行。

本届研讨会以构建儿童道路交通安全生态圈为目标，邀请了中国玩具和婴童用品协会、中汽认证中心、国家轿车质量监督检验中心、沃尔沃汽车、好孩子、Kiddy、厦门理工学院、汕头大学医学院等机构，以及包括媒体在内的100余位嘉宾，通过开展法规研讨、儿童事故创伤研究、创新技术分享、座椅阻燃性与毒性预防等交流活动，为提升中国儿童交通安全水平、减少儿童交通伤害做出了积极的努力。

会议期间，来自明门(中国)幼童用品有限公司的副总宋志钊先生针对儿童安全座椅的阻燃性与毒性危害预防做了精彩发言。他指出，儿童安全座椅的阻燃性标准是要求在发生火灾时，座椅燃烧速度慢，给营救座椅上的孩子争取宝贵的时间。然而，对于稚嫩的儿童来说，座椅面料的毒性伤害要比阻燃保护更重要，因为儿童长时间使用座椅时，含有有毒物质的座椅面料将长期侵蚀儿童的皮肤，可能会干扰儿童的内分泌功能，影响儿童的生殖发育，严重时将诱发癌变，可以说副作用贻害无穷。

关注儿童乘车安全，呼吁全社会提高儿童道路交通安全意识，不仅要为我们的孩子提供碰撞防护的儿童安全座椅，同样重要的是要提供合格、无毒害的座椅，这样才能为孩子的安全出行、健康成长保驾护航！

(来源：俞庆华)

Torque Set and Modifications for Ball-pin Connection

WANG Xuebing1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

To fitting problems of ball pin ,through mechanical analysis on screw and the bore-hole, the theory formulations of the bore-hole’s surface strains and torques were built, the allowed max torque for the ball-pin nut was gotten. Through the calculations of max allowed torque for the connection , the conclusion is that the taper angle has a bigger impact on the max allowed torque than that of the end face diameter of the bore-hole with the same height.

Bore-hole connection；Strain analysis；Axis force of ball pin；Max torque

2016-06-28

王雪冰(1989—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为汽车底盘设计。E-mail：13477293138@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.015

U463

B

1674-1986(2016)10-061-03