汽车横向传动轴中心螺母紧固控制方法研究

汽车横向传动轴中心螺母紧固控制方法研究朱卓选上海纳铁福传动轴有限公司，上海201315【摘要】汽车横向传动轴的轮端万向节一般通过中心螺母与轮毂轴紧固连接，中心螺母紧固的效果与轮毂轴承的T作性能密切相关。如果中心螺母的拧紧扭矩过小，则轮毅轴承的轴向预紧力不足，轮毂轴承的寿命可能会缩短；如果中心螺母拧紧扭矩过大，又可能会存在横向传动轴外万向节柄部拉伸过载的风险。阐述了汽车横向传动轴外万向节与轮毂轴连接扭矩的控制方法，实例分析了汽车横向传动轴外万向节与轮毂之间装配时使用扭矩转角控制法的优越性。【ABSTRACT】THEWHEELHUBANDOUTBOARDJOINTSTEMOFAUTOMOBILEHORIZONTALDRIVESHAFTISFASTENEDBYCENTERNUT，FROMWHICHTHEAXIALFORCEWILLIMPACTTHEPERFORMANCEOFWHEELHUBBEARINGUNITIFTHEFASTENINGTORQUEISSMALLER，THEAXIALPRELOADONBEARINGUNITISUNSUFFICIENT，ANDTHEBEARINGDURABILITYPERFORMANCEWILLBESHORTENEDIFTHEFASTENINGTORQUEISLARGER，THEAXIALOVERLOADMAYRESULTINTHEBROKENRISKTOOUTBOARDJOINTSTEMOFAUTOMOBILEHORIZONTALDRIVESHAFTTWOFASTENINGTORQUECONTROLMETHODISSTATEDHERE，ANDANAPPLICATIONEXAMPLEFROMSOMEAUTOMOBILEPLANTISINTRODUCEDTOEXPLAINTHEADVANTAGEOFTORQUEROTATIONANGLEMETHOD【关键词】传动轴万向节汽车扭矩法DOI103969JISSN10074554201302030引言售后市场经常反映汽车轮毂轴承频繁发生松旷异响的问题，有时又会听到汽车主机厂新下线的车辆发生横向传动轴外端万向节柄部花键部位断裂的信息。中心螺母既要保证轮毂轴承有足够的装配预紧力，又要防止横向传动轴外端万向节柄部拉伸过载。曾经研究了中心螺母紧固扭矩大小的定义方法，也研究了增强横向传动轴外端万2林成涛，陈全世燃料电池客车动力系统结构分析J公路交通科技，200393冷如波，周庆伟，凌天钧等燃料电池汽车动力系统集收稿日期2012120510向节柄部抗拉强度的方法。通过汇总分析来自汽车装配生产线的历史数据，发现汽车主机厂中心螺母拧紧角度的变化范围达到60209。可见目前大多数主机厂仍然采用的扭矩法已经不能满足精密控制的需要，有必要探讨并应用更加精确的扭矩转角法。1应用简介11乘用车底盘传动系统成及框架设计J上海汽车，200994董健，倪天鹿，刘永强等PLUGIN燃料电池轿车车身改制与1装设计J上海汽车，201210上海汽车20130222扭矩转角控制法扭矩转角法是先将中心螺母拧紧到一个不大的扭矩，一般是最终拧紧扭矩的4060，再从此点开始继续转过一个规定转角的控制方法。这样做的目的是先将中心螺母紧贴到接触面上，消除配合表面凸凹不平等不均匀因素的影响，而所需要的夹紧力主要由后续转角产生。此时摩擦阻力对轴向夹紧力大小的影响基本不复存在，所以其精确度比单纯的扭矩控制法要高得多。扭矩转角法的控制要点是测算转角的起点及转角数值大小，这些要素主要依靠经验数据和实际试验结果来确定。目前主机厂使用的电动工具由电机一驱动齿一弯头齿轮一传感器等部件构成，可以非常容易地设定初始扭矩和后续转角数值，而且电动工具的扭矩和转角的控制精度可以达到1左右。3案例实验31第一代轮毂轴承的轴向预紧力要求如图3所示，第一代轮毂轴承是外圈整体式，内圈背对背组合的双列角接触球轴承。其主要特点是有效载荷间距短、性能可靠、结构紧凑、安装方便。案例中轮毂轴承的轴向预紧力的设计要求是9010KN，该预紧力由横向传动轴外万向节柄部端面和中心螺母之间形成的轴向夹紧力来实现图3第一代轮毂轴承32扭矩控制法轮毂轴承预紧力实验案例中，主机厂汽车装配生产线上，横向传动轴外万向节柄部中心螺母的紧固扭矩设计值是36010NM。表1是采用扭矩控制法模拟该工况时得到的轮毂轴承轴向预紧力实验数据。L2表1扭矩法轮毂轴承预紧力扭矩350NM360NM370NM轴向力轴向力KN轴向力KN轴向力KN11165122812762942981024313O91349L3964L107L149L1835LO161O52LL05612O3L24812957973LO29L0828L319136L40291O381078LI13最小值942981024最大值1319L361402平均值L119641208STDEVL39140L39X一3STD701745791X3STD1537L5831626从表1中的实验数据可以看出，扭矩法得到的轮毂轴承的轴向预紧力的标准差STDEV较大，稳定性差，极值差异达到72。33扭矩转角控制法轮毂轴承预紧力实验为了确保实验结果的准确度和稳定性，正式实验之前，每个试件先预加载200NM，然后反转100。松开中心螺母。表2是采用扭矩转角控制法时，模拟各工况得到的轮毂轴承轴向预紧力实验数据。表2扭矩转角法轮毂轴承预紧力工况1丁况2工况3工况扭矩90N131扭矩120NM扭矩80NM转角45。转角30。转角45。轴向力轴向力KN轴向力KN轴向力KN110693510521061912L0333979821LO3348748279235L02587295761067911O2771L4797LLO48998449579L099915104最小值874821923最大值1147971104平均值103489OL014STDEV795157X一3STD796735844X3STD1271L044II84上海汽车201302到26970HZ，有效地解决了由于车架一阶模态频率与该车所用发动机怠速转动频率接近而容易引起共振的问题。与此同时车架总质量从2198KG降至2151KG，减轻47KG，减重幅度达214。3结语本文通过对车架模型进行尺寸优化设计，在解决原模型存在的问题的同时使其刚度有所提升，并实现了轻量化。下一步应在此基础上结合车架结构耐撞性，疲劳特性，NVH等方面做优化分析，且不仅限于尺寸优化，还可以做拓扑优化，形貌优化等。参考文献1CEDRICASHLEY著李虹玉译钢制车身结构最优化研究一可降低车身质量25J轻型汽车技术，1996519232刘林华汽车车架耐撞性分析及其结构优化设计研究D南昌南昌大学，20113张胜兰，郑冬黎，郝琪等基于HYPERWORKS的结构优化设计技术M北京机械工业出版社，20072602764王书亭，刘啸，吴义忠等基于灵敏度分析的车架轻量化及疲劳寿命估算J中国机械工程，2011，2216200120065韩旭，朱平，余海东等基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究J汽车工程，2007，2975455496郑松林，赵德彪，冯金芝等基于强度与模态灵敏度分析的轿车前副车架轻量化设计J机械设计，201229296上接第13页表4扭矩转角法花键轴向拉伸应力项目最小值最大值平均值X0STDX3STD应力MPA197233214L77251评判、注许用应力为373MPA5结语对于第一代汽车轮毂轴承，其轴向预紧力由中心螺母的紧固方式确定。一般情况下，传统的扭矩控制法存在轮毂轴承预紧力不足及预紧力过载的双重风险。相比较而言，扭矩转角控制法形成的轮毂轴承的轴向预紧力具有更高的精确度和符合性。在同样的紧固扭矩作用下，中心螺母实际旋转的角度与螺母和轮毂轴端面之间的摩擦系数及表面质量密切相关。在扭矩转角法的实际操作中，为了满足轮毂轴承轴向预紧力的要求，对中心螺母施加的扭矩大小及继续旋转的角度大小需要上海汽车201302根据经验数据及模拟实验来确定。对于本应用案例而言，预加载200NM，反转100。松开中心螺母；然后紧固中心螺母至扭矩120NM，再继续旋转螺母30。是较为恰当的中心螺母紧固工艺方案。该工艺参数既能保证轮毂轴承的预紧力要求，又能满足横向传动轴外端万向节柄部花键的轴向拉伸应力强度的设计要求。参考文献1汽车工程手册设计篇M北京人民交通出版社，20014324362汽车工程手册制造篇M北京