CN107538211B - 一种悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，通过提取联结螺栓在不同工况下的外载荷，根据外载荷，确定联结螺栓在不同工况下所受的最大剪力、最大轴力及最大扭矩，并最终确定联结螺栓的最终轴向预紧力，从而确定联接螺栓的打紧力矩；本发明的确定方法大大提高准确性且速度快，大大提高工作效率；另外，本发明的确定方法还适用于多个联结螺栓、多种工况下的数据批量化处理，大大提高工作效率，最终使用优势明显。

Description

一种悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法
技术领域
本发明涉及汽车动力总成领域，尤其涉及一种悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法。
背景技术
目前，在汽车安装过程中，螺栓联接用得较为普遍，但又容易出问题，如螺栓断裂、松动等，严重影响了整车的可靠性；特别是涉及到螺栓打紧力矩的确定，打紧力矩过大，会使螺栓断裂，过小，则会使被联接件松动或切向滑移。一些有经验的工程师常常根据经验确定打紧力矩，但准确性不高；也有一些工程师用软件进行CAE(Computer AidedEngineering指工程设计中的计算机辅助工程)分析，但计算时间较长，一组数据至少需要半小时，效率较低，这都加大了后期的验证工作量，费时费力。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，以解决现有技术中的问题，提高准确性且提高工作效率。
本发明提供一种悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，所述方法包括以下步骤：
提取联结螺栓在不同工况下的外载荷；
根据外载荷，确定联结螺栓在不同工况下所受的最大剪力、最大轴力及最大扭矩；
根据最大剪力，确定联结螺栓的最终轴向预紧力；
根据最终轴向预紧力，确定联接螺栓的打紧力矩。
作为优选，所受提取联结螺栓在不同工况下的外载荷，具体包括：
建立悬置支架强度的CAE分析模型；
在所述模型的基础上增加联结螺栓的外载荷，外载荷包括剪力、轴力与扭矩；
提取不同工况下联结螺栓的外载荷。
作为优选，所述根据最大剪力，确定联结螺栓的最终轴向预紧力，具体包括：
步骤301、根据最大剪力确定联结螺栓的初始轴向预紧力；
步骤302、由初始轴向预紧力分别导致内外螺纹摩擦面间产生第一力矩、被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面摩擦产生第二力矩，判定第一力矩与第二力矩之和是否大于所述最大扭矩；
步骤303、如果第一力矩与第二力矩之和大于所述最大扭矩，则判断初始轴向预紧力是否大于最大轴力与第一系数之积；
步骤304、如果是，则最终轴向预紧力为该初始轴向预紧力，如果否，则最终轴向预紧力为最大轴力与第一系数之积；
步骤305、如果第一力矩与第二力矩之和小于等于所述最大扭矩，则根据最大扭矩重新确定初始轴向预紧力，继续执行步骤304，直至获取最终轴向预紧力。
作为优选，步骤301中，具体根据以下公式确定联结螺栓的初始轴向预紧力：
其中：F0-初始轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，θ-联结螺栓导程角，Fxymax-最大剪力。
作为优选，步骤302中，内外螺纹摩擦面间产生的第一力矩、被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面摩擦产生的第二力矩具体由以下公式得到：
T01＝(Us/cos(α)+tan(θ))*d2/2*F0，
T02＝Uw*dw*F0
其中：T01-内外螺纹摩擦面间产生的第一力矩，T02-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面摩擦产生的第二力矩，F0-初始轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，θ-联结螺栓导程角，d2-螺纹中径，dw-被联接件支撑面等效摩擦直径。
作为优选，步骤305中，根据最大扭矩重新确定初始轴向预紧力，具体为：
根据以下公式重新确定初始轴向预紧力:
其中：F0-初始轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，θ-联结螺栓导程角，Tzmax-最大扭矩，d2-螺纹中径，dw-被联接件支撑面等效摩擦直径。
作为优选，第一系数为
其中：Kc-被连接件的弹簧常数，Kb-联结螺栓的弹簧常数。
作为优选，所述根据最终轴向预紧力，确定联接螺栓的打紧力矩，具体包括：
根据以下公式确定联接螺栓的打紧力矩：
T0＝F1/2*(Us*d2/cos(α)+p/π+dw*Uw)
其中：T0-打紧力矩，F1-最终轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，p-螺纹螺距，d2-螺纹中径，dw-被联接件支撑面等效摩擦直径。
本发明提供的悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，通过提取联结螺栓在不同工况下的外载荷，根据外载荷，确定联结螺栓在不同工况下所受的最大剪力、最大轴力及最大扭矩，并最终确定联结螺栓的最终轴向预紧力，从而确定联接螺栓的打紧力矩；本发明的确定方法大大提高准确性且速度快，大大提高工作效率；另外，本发明的确定方法还适用于多个联结螺栓、多种工况下的数据批量化处理，大大提高工作效率，最终使用优势明显。
附图说明
图1为本发明实施例提供的悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、提取联结螺栓在不同工况下的外载荷；其中，作为优选，所受提取联结螺栓在不同工况下的外载荷，具体包括：
步骤101、建立悬置支架强度的CAE分析模型；
步骤102、在所述模型的基础上增加联结螺栓的外载荷，外载荷包括剪力、轴力与扭矩；
步骤103、提取不同工况下联结螺栓的外载荷。
步骤2、根据外载荷，确定联结螺栓在不同工况下所受的最大剪力、最大轴力及最大扭矩；
步骤3、根据最大剪力，确定联结螺栓的最终轴向预紧力；
作为优选，所述根据最大剪力，确定联结螺栓的最终轴向预紧力，具体包括：步骤301、根据最大剪力确定联结螺栓的初始轴向预紧力；
其中，具体根据以下公式确定联结螺栓的初始轴向预紧力：
其中：F0-初始轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，θ-联结螺栓导程角，Fxymax-最大剪力。
步骤302、由初始轴向预紧力分别导致内外螺纹摩擦面间产生第一力矩、被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面摩擦产生第二力矩，判定第一力矩与第二力矩之和是否大于所述最大扭矩；其中，内外螺纹摩擦面间产生的第一力矩、被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面摩擦产生的第二力矩具体由以下公式得到：
T01＝(Us/cos(α)+tan(θ))*d2/2*F0，
T02＝Uw*dw*F0
其中：T01-内外螺纹摩擦面间产生的第一力矩，T02-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面摩擦产生的第二力矩，F0-初始轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，θ-联结螺栓导程角，d2-螺纹中径，dw-被联接件支撑面等效摩擦直径。
步骤303、如果第一力矩与第二力矩之和大于所述最大扭矩，则判断初始轴向预紧力是否大于最大轴力与第一系数之积；作为优选，第一系数为其中：Kc-被连接件的弹簧常数，Kb-联结螺栓的弹簧常数。
步骤304、如果是，则最终轴向预紧力为该初始轴向预紧力，如果否，则最终轴向预紧力为最大轴力与第一系数之积；
步骤305、如果第一力矩与第二力矩之和小于等于所述最大扭矩，则根据最大扭矩重新确定初始轴向预紧力，继续执行步骤304，直至获取最终轴向预紧力。其中，根据最大扭矩重新确定初始轴向预紧力，具体为：
根据以下公式重新确定初始轴向预紧力:
其中：F0-初始轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，θ-联结螺栓导程角，Tzmax-最大扭矩，d2-螺纹中径，dw-被联接件支撑面等效摩擦直径。
步骤4、根据最终轴向预紧力，确定联接螺栓的打紧力矩。具体包括：
根据以下公式确定联接螺栓的打紧力矩：
T0＝F1/2*(Us*d2/cos(α)+p/π+dw*Uw)
其中：T0-打紧力矩，F1-最终轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，p-螺纹螺距，d2-螺纹中径，dw-被联接件支撑面等效摩擦直径。
本发明提供的悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，通过提取联结螺栓在不同工况下的外载荷，根据外载荷，确定联结螺栓在不同工况下所受的最大剪力、最大轴力及最大扭矩，并通过初始轴向预紧力一系列比较，最终确定联结螺栓的最终轴向预紧力，从而确定联接螺栓的打紧力矩；本发明的确定方法大大提高准确性且速度快，大大提高工作效率；另外，本发明的确定方法还适用于多个联结螺栓、多种工况下的数据批量化处理，可以编制程序进行批处理，只需几秒钟时间即可完成，大大提高工作效率，最终使用优势明显。
实施例二
本发明实施例中，一处于设计阶段的悬置系统，现对它的右悬置支架的联接螺栓进行定扭。
坐标系说明：Z向沿螺栓的轴向，方向向上，Y向沿整车的横向，X向沿整车的纵向，右手坐标系。
1.几何参数
螺栓规格：M10X1.25，螺栓孔直径：dh＝11mm，螺栓法兰面直径：d0＝20.036mm，
螺栓长度:L＝55mm，螺栓中径基本尺寸：d2＝9.188mm，支承面等效摩擦直径：dw＝15.96mm，
螺距：p＝1.25mm，螺纹半角：α＝0.523弧度，导程角：θ＝0.043弧度，
摩擦系数：Us＝Uw＝0.15，螺栓的弹簧常数：Kb＝265KN/mm，被联接件弹簧常数:Kc＝676KN/mm。
2.计算工况
表1计算工况
1 静平衡位置 15 -5/8向后最大扭矩
2 向前最大扭矩 16 11g向前冲击
3 向后最大扭矩 17 11g向后冲击
4 向前最大扭矩且向前1g 18 垂直向上+5g
5 向前最大扭矩且向左1g 19 垂直向下-5g
6 向前最大扭矩且向右1g 20 1g左侧倾
7 向前最大扭矩且向下-2g 21 1g右侧倾
8 向前最大扭矩且向上2g 22 垂直向上5g且-3g左倾
9 向后最大扭矩且向后1g 23 垂直向上5g且3g右倾
10 向上3.5g 24 垂直向下5g且-3g左倾
11 向下3.5g 25 垂直向下5g且3g右倾
12 纵向-3g 26 2倍向前最大扭矩
13 纵向+3g 27 2倍向后最大扭矩
14 5/8向前最大扭矩 28 向前13g,向左1g,垂直-2.5g
此处工况即为实施例一中所述的工况，一般有28种。
3.建立悬置支架强度的CAE分析模型
4.计算数据
表2联结螺栓所受的最大外载荷
最大剪力Fxymax(N) 最大轴力Fzmax(N) 最大扭矩Tzmax(N.mm)
12529 4863 89340
根据最大剪力算得初始轴向预紧力：F0＝24.27KN；
验算它所能提供的扭矩：T01＝24103N.mm；T02＝58112N.mm；T01+T02＝82215N.mm<89340N.mm；不满足要求。
以最大扭矩重新确定初始轴向预紧力F0，计算得：F0＝26.38KN；
验算轴力：Kc/(Kb+Kc)*Fzmax＝2372N；F0>Kc/(Kb+Kc)*Fzmax；满足要求；所以，最终轴向预紧力为F0＝26.38KN定扭；通过公式计算得：联结螺栓的打紧力矩T0＝58N.m；至此，该联结螺栓定扭工作完成。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提取联结螺栓在不同工况下的外载荷；
根据外载荷，确定联结螺栓在不同工况下所受的最大剪力、最大轴力及最大扭矩；
根据最大剪力，确定联结螺栓的最终轴向预紧力；
根据最终轴向预紧力，确定联接螺栓的打紧力矩；
所述根据最大剪力，确定联结螺栓的最终轴向预紧力，具体包括：
步骤301、根据最大剪力确定联结螺栓的初始轴向预紧力；
步骤302、由初始轴向预紧力分别导致内外螺纹摩擦面间产生第一力矩、被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面摩擦产生第二力矩，判定第一力矩与第二力矩之和是否大于所述最大扭矩；
步骤303、如果第一力矩与第二力矩之和大于所述最大扭矩，则判断初始轴向预紧力是否大于最大轴力与第一系数之积；
步骤304、如果是，则最终轴向预紧力为该初始轴向预紧力，如果否，则最终轴向预紧力为最大轴力与第一系数之积；
步骤305、如果第一力矩与第二力矩之和小于等于所述最大扭矩，则根据最大扭矩重新确定初始轴向预紧力，继续执行步骤304，直至获取最终轴向预紧力；
第一系数为
其中：Kc-被连接件的弹簧常数，Kb-联结螺栓的弹簧常数。
2.根据权利要求1所述的悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，其特征在于，所述提取联结螺栓在不同工况下的外载荷，具体包括：
建立悬置支架强度的CAE分析模型；
在所述模型的基础上增加联结螺栓的外载荷，外载荷包括剪力、轴力与扭矩；
提取不同工况下联结螺栓的外载荷。
3.根据权利要求1所述的悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，其特征在于，步骤301中，具体根据以下公式确定联结螺栓的初始轴向预紧力：
其中：F0-初始轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，θ-联结螺栓导程角，Fxymax-最大剪力。
4.根据权利要求1所述的悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，其特征在于，步骤302中，内外螺纹摩擦面间产生的第一力矩、被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面摩擦产生的第二力矩具体由以下公式得到：
T01＝(Us/cos(α)+tan(θ))*d2/2*F0，
T02＝Uw*dw*F0
其中：T01-内外螺纹摩擦面间产生的第一力矩，T02-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面摩擦产生的第二力矩，F0-初始轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，θ-联结螺栓导程角，d2-螺纹中径，dw-被联接件支撑面等效摩擦直径。
5.根据权利要求1所述的悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，其特征在于，步骤305中，根据最大扭矩重新确定初始轴向预紧力，具体为：
根据以下公式重新确定初始轴向预紧力:
其中：F0-初始轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，θ-联结螺栓导程角，Tzmax-最大扭矩，d2-螺纹中径，dw-被联接件支撑面等效摩擦直径。
6.根据权利要求1-5任一项所述的悬置系统联接螺栓打紧力矩的确定方法，其特征在于，所述根据最终轴向预紧力，确定联接螺栓的打紧力矩，具体包括：
根据以下公式确定联接螺栓的打紧力矩：
T0＝F1/2*(Us*d2/cos(α)+p/π+dw*Uw)
其中：T0-打紧力矩，F1-最终轴向预紧力，Us-联结螺栓与被联接件之间的摩擦系数，Uw-被联接件支撑面与联结螺栓头部法兰面之间的摩擦系数，α-联结螺栓牙型半角，p-螺纹螺距，d2-螺纹中径，dw-被联接件支撑面等效摩擦直径。
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