某商用车双速主减速器驱动桥设计【三维CATIA】
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哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）资料翻译叉车驱动桥锁紧螺母松动分析S. J. ChuSchool of Mechanical Engineering, University of Ulsan, Ulsan, 680-749, Korea摘 要本研究探讨锁紧螺母在叉车驱动桥上松动的原因。轮轴的结构组件分析显示在锁紧螺母的接触表面的滑移是相当大的，尤其是当轴承组的预加载荷缺乏的时候。肉眼观察的磨损接触面的显示，圆形的划痕形成的半径几乎与结构分析在滑移距离的结果相同。锁紧螺母的松动模拟实验成功进行。关键词：螺纹松动;结构分析;轴承预紧力;滑点;实验模拟。 第1章 介绍在叉车的传动系统中，扭矩以相对较低的速度传递给驱动桥。因此，一个直径相对较小的轴就可以传递所需要的功率。在驱动桥中，该转矩通过行星齿轮减速增扭，并传递到轮轴。因此，有足够大的扭矩传递给车轮。行星齿轮系统包括一个太阳轮，三个行星齿轮和一个齿圈。输入轴连接到太阳轮，而输出轴被连接到行星齿轮，与此同时，齿圈则是一直固定的。这是一个典型的减速装置。由于轮轴通过花键连接到行星架，因此无法在缺少锁紧螺母的情况下将轮轴固定在行星架上。当锁紧螺母被拧紧时，它将轮轴而行星架表面连接到一起。圆锥滚子轴承套之间互相紧挨，增大轴承套支承在轮轴的预载荷。锁紧螺母的松动故障时有发生。在工厂收紧的锁紧螺母被松开后，在该区域旋转。因此，轮轴可能反复来回滑动。如果情况进一步恶化，轮轴有可能完全从行星架拉出，从而造成如叉车侧翻等的严重事故。许多研究人员对松动的螺栓现象进行了研究。派和海斯发现螺栓松动是由于被夹紧的表面间的滑移，即螺栓头和夹紧件的螺纹之间或螺栓和螺母之间的滑移。凯西，弗里德和兰芝则进行了一项螺栓搭接接头通过反复施加剪切载荷而引起的紧固板之间的滑动的螺栓松动测试。巴特查亚，森和达斯通过施加垂直于螺栓轴线的螺纹紧固件的振动来测试的防松能力。在本文中，锁紧螺母松动的原因，采用了驱动桥总成的三维有限元分析，肉眼观察失效的锁紧螺母面和在试验台上进行实验模拟等多种研究方法。第2章 失效分析与仿真2.1.猜想与结构分析锁紧螺母的顶面原来是一个平坦表面，如图1(a)所示。它是通过在轮轴上的轴向紧固力保持与行星架的接触。失效的锁紧螺母如图1(b)所示，其中的环形区域有所降低，降低的区域的径向厚度为3.5mm。这仅仅是一个径向厚度的区域重叠的行星架的表面。锁紧螺母显现仿佛它正在因为过度的接触压力而坍塌压缩。在本研究中使用的有限元分析的工具是CATIA的结构分析模块。图1(a) 图1(b)无关的问题的某些部分已从研究中剔除。在图2的结构分析中，只有六个部分为蓝本(1：轮轴，2：轴承32012，3：轴承33013，4：支承载体，5：锁紧螺母，6：行星架)。轮胎的轮负荷是通过轮毂壳体传递到轮轴，再从轮轴传递到圆锥滚子轴承，由轴承套支承。在图2中未显示的间隔圈，限制了轴承之间的最小距离。因而轴承上的预加载可以是有界限的，可用预先设定的电平加以限制。因为它是预载荷在失效中发挥重要作用，所以轴承被更详细地分为由三个独立的部分：即内圈，滚子和外圈。因此，8个接触体相连，如表1所示。多种类型的连接可在CATIA结构分析中找到，如接触连接，连接紧固，紧固螺栓连接等。由于在这个问题上的所有连接都基本上彼此相关，所以接触的连接通常被广泛使用。有节制地使用固定连接，滑动或分离则不太会发生。这并不会影响该方案，但允许更容易和更简单的建模。所述螺栓拧紧连接被广泛地用于拧紧锁紧螺母。利用对称性时，组件沿垂直对称平面切割，则只有一半需要建模。线性四面体单元网格是在生产是设定全球网目尺寸为5毫米。关键部件，如轴承，锁紧螺母，其接触表面，本地网孔尺寸被设置到2.5毫米。其中，锁紧螺母的材料为SCM440。图2所述承载壳的凸缘被夹持以作为位移的边界条件，该载体的左右两端除了轴向位移外其余也被约束。在行业中，锁紧螺母要被拧紧，直到以无车轮载荷下转动轮轴所需要的扭矩增大到一定程度。锁紧螺母被拧紧到预定扭矩T，在承载面的摩擦被认为以及在螺纹上的摩擦。锁紧螺母的紧固力Q选自计算式(1)和表2中公式：T = Q dm tan(+) /2+fQRm轮负荷是在轮轴垂直施加的，任一单轮胎或双轮胎都可以安装在车轮上。如果安装双轮胎时，则负载的中心会偏离轮轴74毫米，如图(3)所示。因为轮负荷的幅度和荷载作用点之间的距离较大，所以相比于单轮胎类型而言，双轮胎类型会导致轮轴承受更多的弯矩。由于轮壳体已被移除，则负载在中心的空点处施加。类似于刚性连接虚部，在CATIA结构分析用于负载的中心连接至轮轴。作为所述隔离物，对轴承的预载荷取决于垫片与内圈之间的间隙。本研究对初始间隙1.0毫米和无间隙这两个典型的案例进行了分析。图3图4(a) 图4(b)图4(c)首先，假定初始间隙为1毫米。结构分析结果表明，这两种轴承都很好地将拧紧力施加在预装的锁紧螺母上。如图4(a)所示。接着，由于双轮胎被施加负荷，左轴承的上部有最严重的压缩而右轴承的下部则没有这么严重的压缩，如图4(b)所示。施加在锁紧螺母的接触应力为大致小于1MPa，这个应力尚不能引起屈服。被压缩的环形表面无法通过简单的压缩接触压力来形成。据发现，即使当车轮的轴是由预加载的轴承支撑，也是在相对于所述承载壳平面稍微转动，而不是在平面外。行星架面锁紧螺母的滑动，如4(c)所示。第二，人们认为垫片和内圈之间没有初始间隙。结构分析结果表明，这两种轴承都不能预加载，仅内圈能被施加为如图5(a)所示的锁紧螺母紧固力。接着，作为双轮胎施加负荷，左轴承的上部有最严重的压缩，同时右轴承的下部也被压缩，如图5(b)所示。相比第一种情况，滚子的压缩部分在第二种情况下是较小的。锁定螺母的接触应力也大致小于1 MPa以下，该应力也太小，无法引起屈服。由于轮轴由未预加载的轴承来支承，它在相对载波壳体平面中严重地转动。锁紧螺母在载体面滑动0.44毫米，如图5(c)所示。相比第一种情况下为1.0毫米的初始间隙，滑移已增大到2.4倍。图5(a) 图5(b) 图5(c)滑移都被看作是相关的松动。松动的过程与图 6所示情形非常相似，是一种松动失效。2.2.肉眼观察降低的环形表面用较低分辨率的USB数字显微镜进行观察。其中的高度，即径向厚度，为3.5mm。很容易观察到许多圆形的划痕，好像它们沿圆周方向被一前一后堆叠着。圆弧的圆的直径是通过绘制在照片上的圆计量进行测量的，大约为1.0mm，如图7所示。 图7在考虑两种帧的情况下对圆形划痕形成过程进行了研究，如图8所示。 图8其中一帧是像是一个静止观察者，而另一个是一个带有锁紧螺母的旋转框架，像是观察者在旋转的锁紧螺母上的视角。锁紧螺母旋转的轮轴通过向下滑动来固定框架，而圆形划痕则在锁紧螺母表面慢慢形成。从结构分析结果来看，当轴承不预装是滑动距离最大达到0.44毫米，滑动距离与到圆形划痕的半径一致。即使预装轴承市，滑移也会发生。如果锁紧螺母的材料不耐磨，则环形区域最终会被磨掉。此时紧固力很快就会下降，这种情况会导致类似于以前的结果。2.3.实验模拟锁紧螺母在测试表上进行了松动的实验模拟。图9如该图9所示，在轮轴前端的轮毂凸缘是由一个液压致动器的模拟轮在向上提拉。同时，轮轴的后端部被连接到一个电动机的模拟驱动载体上。法兰壳体则用一个垂直厚板夹紧在桌子上。电机的转速设定为150rpm，负荷设定为34kN。因为在轮轴端部的垂直位移开始增加，这表明锁定螺母被拧松，实验模拟到此停止。拆开轮轴组件，观察锁紧螺母的接触表面。降低的环状区域被扩大，但并不完全。如图10所示，疲劳区域正在发展成为二十个独立的区域。半径0.30.4 mm圆形的划痕如图11所示，半径比锁紧螺母在现场操作的小。由于接触表面被越来越多地磨损，所以半径有望达到0.5mm左右。图10图11- 12 -结论锁紧螺母的接触面由过大的接触压力首先出现崩塌。然而，结构分析结果表明，该应力并没有大到足以引发屈服的程度，但在接触表面上引起的滑移是相当大的。当
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