汽車底盤螺紋連接設(shè)計研究

史大浩 路新偉

摘要：汽車行業(yè)在我國發(fā)展越來越快，其中汽車底盤螺紋連接的設(shè)計越來越受到企業(yè)及設(shè)計人員的重視，本文就該部分內(nèi)容進行了研究。

關(guān)鍵詞：汽車;底盤;螺紋連接;設(shè)計

螺紋連接件在汽車上幾乎無處不在、處處都有。尤其在汽車底盤上，作用更加突出，汽車底盤零件的連接方式由于不同零件結(jié)構(gòu)差異主要以螺紋連接為主。深刻了解和分析螺紋連接的方式作用，會使我們在汽車設(shè)計、制造、使用、維修等方面受益匪淺，避免犯錯。

1螺紋連接原理

螺栓的緊固扭矩與預緊力的關(guān)系：扭矩系數(shù)K是反映螺栓擰緊過程中的扭矩和軸向夾緊力之間關(guān)系的系數(shù)，K值越小，螺紋摩擦和端面摩擦所消耗比越小。目前國產(chǎn)螺栓K值變化非常大，即緊固扭矩變化非常大。相反，在保證緊固扭矩相同的情況下，軸向夾緊力比較分散。在擰緊螺栓時，有部分的扭矩消耗在螺栓端面的摩擦上，有部分扭矩消耗在螺紋的摩擦上，僅有很少的扭矩用來產(chǎn)生預緊力（見表1）。目前國內(nèi)普通螺栓摩擦系數(shù)在0.3左右，為降低摩擦系數(shù)，采用在螺紋表面涂抹螺紋穩(wěn)定劑的方法控制螺紋摩擦系數(shù)在0.11～0.16范圍，以降低螺紋摩擦所占比例，提高預緊力。

2螺紋連接件在汽車設(shè)計中的作用

2.1固定作用

螺紋連接件可以將2個零件或部件緊密地組合成一個整體，例如把氣缸蓋固定在氣缸體上，把車廂固定在車架上和把曲軸軸承蓋固定在軸承座上等。這種情況下螺栓承受的是拉應力作用，只要它的抗拉強度足夠大，且固定部位沒有松動，這種固定就是可靠的。

2.2傳力作用

兩個轉(zhuǎn)動著的零件，通過螺紋連接件連接起來后，一個零件的轉(zhuǎn)矩便通過螺紋連接件傳遞給另一個零件。例如，汽車上用螺栓把前后兩段傳動軸、半軸突緣跟車輪輪轂、輪輞跟車輪輪轂連接起來等。這種情況下，螺栓除了承受拉應力的作用外，還要承受剪切應力的作用。

2.3連接作用

一些經(jīng)常需要拆卸的零件之間往往采用螺紋連接件，以便拆裝。如汽車發(fā)動機油底殼與曲軸箱的連接、空氣濾清器跟化油器上體的連接、各種導線與電氣零件的連接等。這種連接件一般承受的載荷不大，但是連接要求較高，必須牢固、可靠，才能保證被連接件的正常工作。

2.4定位作用

汽車上有些零件之間保持著比較嚴格的相對位置關(guān)系，且這種關(guān)系經(jīng)常需要變化或調(diào)整，調(diào)整之后依靠螺栓或螺釘固定它們的相對位置。例如：汽油發(fā)動機分電器的斷電器活動觸點，在調(diào)整它與固定觸點的間隙之后，用螺釘固定，以防松動而影響點火正時的準確性;某缸氣門間隙調(diào)整完畢，用相應氣門搖臂上的螺母鎖緊，以防氣門間隙發(fā)生變化，影響發(fā)動機的正常工作;汽油發(fā)動機CO調(diào)整裝置和柴油發(fā)動機噴油時刻調(diào)整裝置等，每次調(diào)整之后都要用螺釘將其定位;離合器分離杠桿調(diào)整螺栓的固定、制動踏板拉桿調(diào)整之后的固定等。

2.5密封作用

汽車上許多經(jīng)常需要更換介質(zhì)的器皿類零件，如油底殼、變速器殼體、后橋殼、轉(zhuǎn)向機殼、燃油箱和柴油發(fā)動機的噴油泵殼等，其底部都有放油螺塞。它與相應的殼體緊密結(jié)合，有的還被預先磁化而具有吸附微小金屬磨屑的功能。這種螺塞雖然不承受大的載荷，但因為需要經(jīng)常拆裝，其尺寸一般較大，使之具有足夠的強度。在螺塞與基體零件之間放置銅墊圈起密封作用。

3汽車底盤螺紋連接設(shè)計國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2005年，華中科技大學的項俊利用實車試驗收集的信號作為模型仿真的輸入信號，對所建的整車模型進行了多種實車試驗驗證，有效地驗證了模型的正確性、精確性。2006年，吉林大學的付寶珍在其碩士論文中介紹了用ADAMS/CAR TemplateBuilder對懸架建模的具體方法，同時也詳細講解了襯套、緩沖塊等彈性元件的作用和使用方法。仿真結(jié)果表明在采用了包含襯套、緩沖塊的整車模型仿真時，與傳統(tǒng)的剛性模型相比，襯套的使用提高了仿真結(jié)果的準確性，而包含緩沖塊的模型仿真結(jié)果更精確2008年，湖南大學的趙榮遠利用ADAMS建立了某跑車整車多體動力學模型，參照國家標準在軟件中進行了轉(zhuǎn)向回正實驗、角階躍試驗、蛇行實驗、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)實驗等。并計算分析了懸架設(shè)計點對整車操縱穩(wěn)定性的靈敏度，又在靈敏度分析的基礎(chǔ)上，運用ADAMS/Insight結(jié)合響應面方法對影響操縱穩(wěn)定性較大的懸架設(shè)計點進行優(yōu)化。

近年來，隨著計算機技術(shù)發(fā)展的日新月異，大大加速了汽車相關(guān)軟件的開發(fā)和應用，汽車制造商們慢慢意識到汽車的研發(fā)、試驗不能僅僅停留在物理樣車上，這樣一來，美國機械動力公司開發(fā)的ADAMS軟件在分析汽車動力學性能上有了極大的使用價值，其自帶有專業(yè)用于汽車動力學分析模塊，使復雜的模型得到了較精確的表達和方便的求解，能夠仿真分析汽車的駕駛平順性以及操縱穩(wěn)定性，汽車動力學在國內(nèi)發(fā)展迅猛。在整車模型中，底盤的研宄控制是核心，底盤的控制又包括轉(zhuǎn)向控制、懸架控制、驅(qū)動/制動控制，通過控制輪胎的運動來控制車輛運動，控制目標是為了使汽車具有良好的操縱性，乘坐舒適性和加速、制動性，由于實車物理樣機的昂貴、費時，虛擬樣機技術(shù)的應用既縮短設(shè)計研宄周期，又節(jié)省了成本和人力物資，這些先進的控制理念和實際的應用使國內(nèi)學術(shù)精英們很好的掌握車輛動力學在汽車領(lǐng)域的應用，加速了國內(nèi)汽車發(fā)展進程。

4螺紋連接件結(jié)構(gòu)設(shè)計

下面以副車架與擺臂連接體的設(shè)計為例細說螺紋連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，此案例是汽車底盤的重要螺紋連接體，擰緊方法采用扭矩法。

4.1副車架設(shè)計

對于副車架與擺臂的連接，螺栓不受軸向載荷，只承受橫向載荷。初始的螺紋聯(lián)接松動往往與聯(lián)接面加工精度有關(guān)，下面通過試驗進行研究。

4.1.1領(lǐng)取試驗器材：后副車架兩臺、后下擺臂安裝螺栓/螺母各四只、后下擺臂軸套四只、塞尺、力矩扳手、活扳手、點漆筆、游標卡尺;

4.1.2用點漆筆畫出后下擺臂軸套與副車架配合區(qū)域，該區(qū)域為檢測區(qū)域;

4.1.3三坐標檢測：檢測副車架開口尺寸、平面度、平行度，軸套兩端尺寸;

4.1.4檢測擺臂軸套夾緊力矩：安裝擺臂軸套，緩慢旋轉(zhuǎn)軸套同時緩慢擰緊力矩扳手直到軸套不旋轉(zhuǎn)為止，記錄力矩;

4.1.5檢測擺臂軸套貼平力矩：用塞尺（0.05mm）檢測軸套端面與開口間隙，每擰緊10N？m檢測一次，直到不能塞進為止，記錄力矩;

4.1.6靜置48小時后，檢測螺栓擰松力矩，記錄力矩。

具體檢測結(jié)果如下：

從試驗數(shù)據(jù)可以明確看出，副車架擺臂支架（與橡膠襯套內(nèi)管配合處）的平行度和平面度與螺紋連接力矩有密切關(guān)系。平行度和平面的精度較低，有限的緊固力矩大多數(shù)被用來克服支架變形使襯套端面與支架貼平，剩余小部分的緊固力矩被轉(zhuǎn)化為軸向力起到緊固作用，螺紋連接早期失效就可想而知啦。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，提供足夠的軸向力，降低螺栓擰緊力矩的衰減風險，副車架設(shè)計時重點關(guān)注襯套內(nèi)管配合面的平行度和平面度的精度，必要時可考慮設(shè)計成凸臺結(jié)構(gòu)。

4.2擺臂設(shè)計

擺臂橡膠襯套總成的結(jié)構(gòu)是由內(nèi)管、橡膠體2部分組成：內(nèi)管是壁厚較大的鋼管，內(nèi)孔能夠穿過螺栓，內(nèi)管的兩端面有尖齒。內(nèi)管與橡膠體硫化到一起。襯套總成壓裝到擺臂套管上，襯套由于受到螺栓的軸向力，當下擺臂擺動時，內(nèi)襯套不能隨其擺動，橡膠體扭轉(zhuǎn)彈性變形實現(xiàn)擺動。

為很好地實現(xiàn)設(shè)計功能，要求橡膠襯套總成能夠有效緊固。將端面設(shè)計成齒形結(jié)構(gòu)，緊固襯套總成時，內(nèi)管端面的尖齒嵌入到副車架擺臂安裝支架板內(nèi)，能夠有效的防止車輪跳動過程中，襯套內(nèi)管相對副車架保持靜止，使襯套總成實現(xiàn)、減震吸能的作用。尖齒的齒長呈輻射狀分布，抵抗轉(zhuǎn)動的能力最強，但加工工藝復雜一些;呈平行線狀分布，抵抗轉(zhuǎn)動的能力差些，但加工工藝簡單。尖齒的形狀和分布。

5結(jié)語

汽車是由各種不同的零件經(jīng)不同方式組裝而成，汽車底盤主要以螺紋連接為主。螺紋連接件由于具有可靠性高、拆裝方便、形式多樣、運用靈活等優(yōu)點而在汽車底盤上得到廣泛應用。汽車作為一種高速運動的交通工具，和人們的生命、財產(chǎn)安全息息相關(guān)，如果不重視其螺紋連接件的正確使用和維護，出問題后果可能不堪設(shè)想。

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