楊小龍　牟翌飛

摘要：為提高變速器輸入端法蘭盤緊固結(jié)構(gòu)的放松性能，在原有結(jié)構(gòu)更改最小的情況下，根據(jù)理論分析和試驗驗證，在原結(jié)構(gòu)和零部件不變的情況下增加一組洛帝牢NL16防松墊圈，可以有效減少軸向預緊力的衰減，在復雜的運行環(huán)境中保持更高的軸力，防止系統(tǒng)松動。

關(guān)鍵詞：輸入聯(lián)接機構(gòu)；法蘭盤；螺栓；摩擦系數(shù)；軸向預緊力

變速器與發(fā)動機采用分體聯(lián)接形式時，變速器與發(fā)動機之間通過傳動軸來傳遞動力，變速器的輸入端需要采用法蘭盤的結(jié)構(gòu)與傳動軸的聯(lián)接，實現(xiàn)動力的傳遞和輸入。法蘭盤在傳遞動力的同時還要承受來自傳動軸的振動沖擊，所以法蘭盤的緊固結(jié)構(gòu)和形式尤為重要。

變速器輸入聯(lián)接機構(gòu)

某變速器輸入端聯(lián)接機構(gòu)由前端蓋、輸入法蘭、輸入適配器及軸承等零件組成，傳動軸傳遞的動力經(jīng)由輸入端法蘭、適配器和柔性盤將動力傳至變速器液力變矩器，如圖1a所示。圖中法蘭盤通過螺栓和壓板緊固于適配器花鍵軸上，該緊固螺栓位于法蘭和花鍵軸運動旋轉(zhuǎn)的中心線上，它只起安裝緊固作用不傳遞扭矩。變速器輸入聯(lián)接端法蘭盤的安裝緊固結(jié)構(gòu)如圖1b所示，采用M16、10.9級Q150B1660TF61螺栓和壓板將法蘭盤與輸入適配器花鍵軸緊固。

螺栓松動斷裂原因分析

該變速器輸入聯(lián)接機構(gòu)批量使用運行一段時間后，個別車輛出現(xiàn)了緊固法蘭盤螺栓松動斷裂的故障，如圖2所示。

故障件螺栓頭支承面和螺栓頭下圓角磨損情況與正常螺栓對比可以看出，螺栓在斷裂前螺紋面和支承面已產(chǎn)生相對滑動造成了螺栓的旋轉(zhuǎn)松動，同時取出花鍵軸螺紋孔內(nèi)的斷裂螺栓時可以輕松地旋出。螺栓松動后軸向預緊力降低，螺栓應力幅增大，疲勞壽命縮短，進而造成螺栓疲勞斷裂。

正常情況下，當變速器工作時，輸入聯(lián)接機構(gòu)承載著從發(fā)動機經(jīng)傳動軸傳遞過來的扭矩載荷、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動、振動沖擊等，由法蘭及輸入適配器將動力傳遞至柔性盤及變矩器。法蘭盤由緊固螺栓和壓板與輸入適配器花鍵軸聯(lián)接，緊固螺栓位于法蘭和花鍵軸運動旋轉(zhuǎn)的中心線上，它只起安裝緊固作用不傳遞扭矩。動力系統(tǒng)是發(fā)動機經(jīng)傳動軸將動力及扭矩傳遞至法蘭盤，法蘭不但要承受交變的扭矩載荷，還要承受傳動系統(tǒng)的振動沖擊以及車身傳遞給殼體的振動，所以該聯(lián)接系統(tǒng)的工作環(huán)境很復雜。由于緊固螺栓本身的客觀物理參數(shù)以及緊固結(jié)構(gòu)，在這樣的復雜運行工況下系統(tǒng)松動的風險很大。在法蘭施加的扭轉(zhuǎn)載荷作用下，這個系統(tǒng)受到順時針和逆時針扭矩的交替作用，在螺栓的支承面和螺紋面產(chǎn)生了相對旋轉(zhuǎn)滑動，這樣的滑動重復多次后螺栓就會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)松動，產(chǎn)生松動后螺栓的軸向預緊力降低，應力幅增大疲勞強度降低，進而造成螺栓的疲勞斷裂。

根據(jù)緊固螺栓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)松動的條件理論校核分析，在法蘭施加的扭轉(zhuǎn)載荷作用下，這個系統(tǒng)在運行過程中受到順時針和逆時針扭矩的交替作用，在法蘭和壓板及螺栓之間發(fā)生了相對旋轉(zhuǎn)滑動，進一步分析是在螺栓的支承面還是其螺紋面產(chǎn)生了相對旋轉(zhuǎn)滑動。

設(shè)螺栓的軸向預緊力為F，在螺紋面產(chǎn)生滑動所需要的扭矩為T_S，在支承面產(chǎn)生滑動所需要的扭矩為T_w，根據(jù)推導兩個扭矩可用下式計算：

根據(jù)以上分析，摩擦系數(shù)μ＜0.22時，就滿足式3和式4，滿足產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)松動的條件，該緊固螺栓就存在旋轉(zhuǎn)松動的風險。在現(xiàn)實中螺栓螺紋摩擦系數(shù)μS和支承面摩擦系數(shù)μ_w小于0.22是很容易實現(xiàn)的，是大概率的，所以存在螺栓松動的風險。

故障發(fā)生后在試驗臺上對螺栓Q150B1660TF61的摩擦系數(shù)進行了試驗測試（見圖3），具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

從測試的12個螺栓樣本數(shù)據(jù)看，摩擦系數(shù)都小于0.22，說明該聯(lián)接系統(tǒng)松動風險高。在實車運行工況下，受到來自傳動系統(tǒng)的扭矩載荷及振動沖擊，如果該緊固螺栓螺紋和支承面一旦產(chǎn)生往復的相對滑動，該螺栓就會出現(xiàn)單向的旋轉(zhuǎn)松動。

優(yōu)化設(shè)計方案

1.優(yōu)化分析

螺栓旋轉(zhuǎn)松動的原因都是被聯(lián)接件發(fā)生往復的相對滑動，因此要防止螺栓旋轉(zhuǎn)松動措施是限制被聯(lián)接件之間的相對滑動。基于系統(tǒng)摩擦理論可以增大軸向預緊力采用大直徑螺栓，增加螺栓數(shù)量，增加被聯(lián)接件接觸表面的摩擦系數(shù)，增加銷、鍵或卡環(huán)，降低系統(tǒng)載荷和振動沖擊等方式實現(xiàn)。為減少更改，根據(jù)旋轉(zhuǎn)松動的系統(tǒng)摩擦理論通過更換法蘭面螺栓來降低松動的風險，根據(jù)相應的理論進行了分析，并對六角頭螺栓和法蘭面螺栓進行防松試驗對比。

根據(jù)上面的校核分析，Q1841660TF61螺栓的相關(guān)參數(shù)如下：d₂=14.701mm；d_w=24.45mm；P=2mm；α=30°，cosα=0.866。將以上參數(shù)代入式3中得：

在這里設(shè)定μ_S=μ_w=μ時，可得μ＜0.085。即摩擦系數(shù)μ＜0.085時，該緊固螺栓就存在旋轉(zhuǎn)松動的風險。在現(xiàn)實中螺栓螺紋摩擦系數(shù)μ_S和支承面摩擦系數(shù)μw小于0.085是不容易實現(xiàn)的。

在試驗臺上對螺栓Q1841660TF61的摩擦系數(shù)進行了試驗測試，具體數(shù)據(jù)如圖5所示。

從測試的12個樣本數(shù)據(jù)看，沒有μ＜0.085的情況，說明現(xiàn)實條件的摩擦系數(shù)不能滿足式3，系統(tǒng)松動的風險降低。

2. 緊固件橫向振動試驗

通過緊固件橫向振動試驗對六角頭螺栓、法蘭面螺栓防松性能進行對比測試，具體試驗情況如下。

1）試驗1為Q150B1660TF61螺栓橫向振動試驗。振動次數(shù)2000次，振幅0.5mm，振頻12.5Hz。Q150B1660TF61螺栓的測試情況及數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

2）試驗2為Q1841660TF61螺栓橫向振動試驗。振動次數(shù)2000次，振幅0.5mm，振頻12.5Hz。Q1841660TF61螺栓的測試情況及數(shù)據(jù)如圖8、圖9所示。結(jié)合兩種螺栓的測試數(shù)據(jù)匯總的對比曲線如圖10所示。

根據(jù)以上的試驗數(shù)據(jù)對比分析，在試驗條件相同的條件下，老狀態(tài)的六角頭螺栓Q150B1660TF61比新狀態(tài)的法蘭面螺栓Q1841660TF61軸力衰減的更早更快，衰減率更高。但是法蘭面螺栓Q1841660TF61也有部分衰減及個別松動的現(xiàn)象。

3.優(yōu)化試驗

為進一步提高系統(tǒng)防松性能，在結(jié)構(gòu)變化最小的前提下，結(jié)合相應的防松理論，在使用六角頭螺栓Q150B1660TF61的情況下，增加一組NL16洛帝牢墊圈來增大接觸面的摩擦系數(shù)防止螺栓松動。對六角頭螺栓Q150B1660TF61+NL16洛帝牢墊圈的組合，在試驗條件相同的情況下，進行緊固件橫向振動試驗。

試驗3為Q150B1660TF61+NL16洛帝牢墊圈橫向振動試驗：振動次數(shù)2000次，振幅0.5mm，振頻12.5Hz。Q150B1660TF61+NL16的測試情況及數(shù)據(jù)如圖11、圖12所示。

結(jié)合上面六角頭螺栓Q150B1660TF61和法蘭面螺栓Q1841660TF61的試驗數(shù)據(jù)，對三種狀態(tài)的測試數(shù)據(jù)匯總的對比曲線如圖13所示。

根據(jù)以上的試驗數(shù)據(jù)對比分析，在試驗條件相同的條件下，老狀態(tài)的六角頭螺栓Q150B1660TF61和法蘭面螺栓Q1841660TF61軸力衰減率高，都有部分松動的現(xiàn)象。而六角頭螺栓Q150B1660TF61+NL16洛帝牢墊圈的軸力衰減率很低，同時衰減到一定程度就不再衰減，沒有松動的現(xiàn)象。

結(jié)合理論分析和試驗驗證，將緊固結(jié)構(gòu)在六角頭螺栓的基礎(chǔ)上增加洛帝牢NL16防松墊圈，可以有效減少軸向預緊力的衰減，在復雜的運行環(huán)境中保持更高的軸力，防止系統(tǒng)松動。

結(jié)語

原法蘭盤緊固結(jié)構(gòu)采用一個六角頭螺栓的緊固方案存在螺栓松動的風險。在原結(jié)構(gòu)變化最小的情況下提高系統(tǒng)的防松性能，通過增加一組洛帝牢NL16防松墊圈方案來實現(xiàn)，經(jīng)過緊固件橫向振動試驗，對比了三種方案的防松性能，從試驗的數(shù)據(jù)對比分析可以看出，增加洛帝牢NL16防松墊圈的方案是有效的、合理的。

參考文獻：

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