【word】动力转向机到副车架紧固件接头设计

动力转向机到副车架紧固件接头设计
第1期
2011年1月
机械设计与制造
MachineryDesign&Manufacture43
文章编号:1001—3997(2011)O1—0043—02
动力转向机到副车架紧固件接头设计
姚慧杰
(上汽技术中心,上海201804) Powersteeringmachinetoviceframefastenersjointdesign
Y AOHui-jie
(SaicmotorTechnicalCenter,Shanghai201804,China) !…’?…’?….?…’?’…?…’?…’?…’?…’?…?…’?…’?…’?…’?…?….?…’’…’?…’.…’…’?…’.…’’…’’…’’…’.…’’…’’…’.…’.…’’…..….’…’.…’.…’’….…’.…’’…’.…’’…’.….’…’.…’.…?
÷【摘要】从夹持力,表面压力及啮合长度等方面考虑,对转向机到副车架的安装螺栓进行设计,÷
:分别计算为防止转向机与副车架接触表面出现滑移所需要的夹持力,为达到所需夹持力要施加在螺:
栓上的扭矩,为防止出现塌陷和蠕变表面压力应满足的条件及为防
止出现螺纹拉脱而需要的螺纹啮
合长度.
关键词:夹持力;啮合长度;表面压力;接头;紧固件
【Abstract】DesigntheFastenerboltbetweenthesteeringgearandsubframe,gottheclampin g
:Force,torque,compressionForceandLengthofEngagement:
÷Keywords:Clampingforce;Lengthofengagement;Compressionforce;Joi nt;Fastener÷j….●….?….?….?….?….?….●….?….?….?….?….?….?….?….?….?….?….●….?….?….?….?….?…-?….?….?…??….?…-?…??….?….●…??….?…t?…??…??….?…-●…??….?….●…??….?….?….
中图分类号:TH16,U463.2文献标识码:A
1简述将产生致命的危险,严重者可能车毁人亡.
1.1接头和螺纹紧固件的定义
接头是由紧固件将几个零件连在一起的一个系统,包括紧
固件和两个或多个接头零件.接头组成,如图1所示.
图1接头组成
1.接头零件
2.接头零件
3.紧固件
螺纹紧固件是一个设计有螺纹并用它来夹紧两个或多个零
部件的机械装置,一般为标准件.螺纹紧固件包括:螺栓,螺钉,
螺柱,螺母.紧固件的类型,如图2所示.
图l图l(a)螺栓(b)螺钉(c)螺柱(d)螺母
图2紧固件的类型
1_2接头的应用
汽车在行驶过程中,需按照驾驶员的意愿来经常改变行驶
方向,转向是通过转向系统机构完成的.
转向机通过螺栓安装在副车架上,如图3所示.如果转向机
相对于副车架发生位置移动,则内外球头的坐标将发生变化,破坏转向梯形,使得转向系统不能继续在驾驶员的操作下按照正常的转向形式进行转向.如果因为螺栓失去作用而使得转向机从副车架上脱离下来,则汽车将不再具有转向功能,这在高速行驶时★来稿日期:2010—03—06
图3转向机与副车架的装配图
1.螺栓
2.转向机支架
3.副车架
此外,如果转向机到副车架的安装螺栓设计不当,则极易发
生松弛及产生噪声.松弛的产生会增加疲劳破坏的可能性,减少汽车的使用寿命;噪音的增加会影响乘员的舒适性.
2接头设计与计算
2.1接头设计的一般步骤
接头设计的一般步骤,如图f示.
蒯HH汪l
图4接头设计的一般步骤
2_2主要计算参数
接头设计的目的就是要选择合适的螺栓规格,比如尺寸,螺
纹长度,强度等级等等,其设计过程就是根据螺栓要满足的条件来反推出螺栓的规格,如图5所示.
藤
图5计算过程
接头设计时需要满足的主要计算参数有:(1)夹持力,保证
44姚慧杰:动力转向机到副车架紧固件接头设计第1期
在外载作用下把零件夹紧;(2)扭矩,用于产生足够的夹持力;(3) 表面压力,应小于材料的抗压强度,避免压塌或下陷;(4)螺纹啮合长度,保证不会出现内螺纹被拉脱的现象.
2.3主要参数的计算
2.3.1夹持力的定义与计算
当螺栓插入两个接头零件的孔并用螺母拧紧时,螺栓被拉
伸.整个拉伸产生了一个轴向的拉力,将转向机及副车架压紧在一
起.在两个零件的接触面上产生的这个力,就叫夹持力或夹持载荷,如图6所示.接头设计的一个重要关键就是要保证接头具有足够的夹持力.
图6夹持力图7扭矩与夹持力的关系图
以某一车型为例,转向机的最大齿条输出力为8100N,转向
机到副车架共有4个螺栓联接,因此每个螺栓所承受的剪切力为2025N.
为了使转向机牢牢地安装在副车架上,避免接头滑移现象
的发生,需要满足:(1)
式中:『_转向机与副车架接触面产生的摩擦力.
将螺栓拧紧后,在接头零件接触面上所产生的夹持力将作
为正压力,用N表示.副车架的材料为钢,而转向机支架材质为铝,查到钢一铝接触面的表面摩擦系数为(0.10～0.28o
代入摩擦力计算公式(1),得:,Ⅳ
墨:2025(N)
f=o.10-0.28
胎争=丽20=25=7232-2025(N)
F~=N=20250N
为了保证有足够的夹持力:夹持力一般为螺栓保证载荷的70%左右,在设计高强度螺栓时,应优先考虑使用PC=8.8级的粗牙螺栓,即从保证接头有足够的夹持力来考虑,所要选用的螺栓需要满足:
(1)保证载荷要大于并接近:28928.5N
(2)ec=8.8级
(3)粗牙螺纹
查《标准件设计手册》可知:M10x1.5PC=8.8级的螺栓满足
以上要求.
实际操作中,是通过在螺栓上施加一定大小的扭矩来获得
夹持力的,扭矩与夹持力的关系,如图7所示.
扭矩顾载(初始夹持力)的关系公式:
砉++)c2
式中各字母的含义,如表1所示.
表1各字母含义
字母F
含义
输入扭矩夹持力蔷鳌藿;23;叟
2dzP
藿曩票曩磊餐菇;il;亳窗;lll螺距摩擦系数(通常使用螺纹中径)的摩擦系数砾
由《标准件设计手册》查得螺栓M10x1.5的相关参数数值,
如表2所示.
表2螺栓M10X1.5的相关参数数值
代入公式(2)得:F(P+ZeosJ+芋)\Z1rU/
:
一++_=(20.8+11)22x0.14]159.03x0.14j卜
=0.239+0.73+1.113)xl0..Fx2.082x10
=20250N~T=20250Nx2.082~10m=42.16N.1TI
2.3.2表面压力定义及计算
表面压力,如图8所示.是指在夹持力下的作用下,发生在互
相接触的接头零件上的应力.当接头零件的表面压力大于材料抗压强度时,蠕变或下陷就会发生,如图9所示.蠕变或下陷会导致夹持力的减少,增加接头分离或滑移的几率.并可能会最终导致接头失
效.因此,在设计过程中监控和控制表面压力是非常重要的.
■图8表面压力图9接触表面被压塌图10啮合长度
下面将进行螺栓法兰头部挤压面的表面压力计算
表面压力计算公式:s=(3)
A
查《标准件设计手册》可知:M10Pc8.8级,其保证载荷为33700N,即F=33700N
紧固件承压面的外径d~=20.8ram
副车架上与MIO螺栓相对应的孔径=11+0.5ram,
代入公式(3)得:
5一FQ=:142.
91N~mm2=142.91MPaA
235.81m1
查得钢的抗压强度为270MPa,S=142.91MPa<270MPa,即满足表面压力要求,不会出现过表面压力现象.
2.3_3螺纹啮合长度
螺纹啮合长度,如图10所示.就是螺栓和螺母全螺纹接触
的轴向的距离.为了防止内螺纹被拉脱,螺栓啮合长度要足够长. 第1期
2011年1月
机械设计与制造
MachineryDesign&Manufacture45
文章编号:1001—3997(2011)O1—0045—03
全柔性微位移放大机构的设计与分析
吴国昌邱丽芳段磊谢之勇
(北京科技大学机械工程学院,北京100083) Designandanalysisoffullycompliantmicro-displacementamplificationme chanisms
wuGuo-chang,QIULi-fang,DUANLei,XIEZhi-yong (SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyB eijing,Beijing100083,China)
:..’..’ⅢⅢ.....’..’..’Ⅲ㈣ⅢⅢ....’..ⅢⅢⅢ.....’..’...㈣Ⅲ..’..’..’ⅢⅢⅢ....Ⅲ..’ⅢⅢ…....’..’..’Ⅲ.=..….....:
【摘要】微机械放大器中常采用全柔性微位移放大机构来实现输出位移的放大,且大多采用短
臂柔性铰链连接各构件.设计了一种对称的长柔性杆微位移放大机构,结合弹性力学和Bernoulli—Eu—
ler假设,推导出该放大机构的力位移计算公式及放大比公式.对影响该机构放大比的关键因素进行了
分析,通过实例分析得到该机构中的长柔性杆角度与输出位移之间的关系.同时用有限元方法对该实
例进行了仿真分析,并对两种方法所得结果进行了分析比较.
关键词:全柔性机构;柔性铰链;微位移;放大比;有限元分析
【Abstract】
Fullycompliantmicro-displacementamplificationmechanismisUSHallydes ignedtobe
uallysmall——lengthflexiblehingeis usedtojointallcomponentsinthe
amplificationmechanism.Asymmetricalmicro—-displacementamplificat ionmechanismofflexiblebeams
wasdesigned,combinedwithElasticityandBernoulli-Eulerassumption,the force-deflectionrelationship andtheamplificationratiowerederived.Keyfactorsoftheamplificationratio werean~yzed,andtherela—- tionshipsbetweenanglesoftheflexiblebeamsandtheoutputdisplacementsw erediscussedandexplained
throughanexampleanalyzing.Withtheaidoffiniteelementanalysis,finally,t heresuhsofthetwometh—
odswerecompared.
Keywords:Fullycompliantmechanism;Flexiblehinge;Micro-displacemen t;Amplificationra-
;tio;Finiteelementanalysis(FEA)
;....o◆o....◆..◆...oo◆o....◆.o◆...........◆.o◆..◆o.◆...........◆.o◆.o ◆.o....o....◆.....◆..?..?.o◆..◆o....◆..?..?..?.o◆o...o◆oo◆o.◆..?..?...O 中图分类号:THI22文献标识码:A
1引言
机构是用来进行运动,力或能量传递或转换的机械装置,随
着微机电系统(MEMs)的发展,传统的刚性机构在制造,装配,精
度,可靠性,磨损等方面已不能满足要求,柔性机构的出现从机构设计的角度为解决这些问题提供了新的方法全柔性机构在结构上
采取—体化设计,没有传统的运动副,利用机构中柔性构件的弹性
变形,来实现力,运动和能量的传递.因此对构件间的连接形式提出了更高的要求一.根据不同放大原理,微位移放大机构有多级杠杆
放大,差动杠杆放大,多连杆放大,三角放大等多种结构形式F,s.这
些机构多采用短臂单轴柔『生铰链连接各构件,其转动是靠铰链本身★来稿日期:2010—03”06★基金项目:国家自然科学基金项目(50805008)
材料的弹性变形来实现的.柔性铰链的转动能力,回转精度,应力水平等I生能与的尺寸有很大关系.其转
动刚度,柔度的计算一般采用数值积分方法或弹胜静力学方法,根
据柔f生铰链的柔度再求得柔机构的力与位移的关系.
设计了另一种形式的全柔性微位移放大机构,采用长柔性
杆的变形,而不是短柔性铰链的变形来输出位移,并结合弹性力
学和Bernoulli—Euler假设Ⅲ,对该机构进行了研究,推导出该放大机构的力位移计算公式及放大比公式.分析了影响其输出位移及
放大比的关键因素,对微位移放大机构的设计与分析方法的理论
研究具有一定的意义.
在螺纹孔上使用螺栓,尤其是在软质材料上(比如铝材料),根据实际
运用中,采用的螺栓为M10~I.5,扭矩规范取值范围为
经验值,螺纹啮合长度至少是螺栓公称直径的两倍.
根据夹持力计算可知,选用的螺栓为M10x1.5,其公称直径
D=10mm,因此螺纹啮合长度L不少于10mmx2=20mm.
3计算结果及验证
通过对夹持力,扭矩,表面压力及啮合长度等方面对螺栓进行
设计的过程及计算结果可知:转向机到副车架的安装螺栓规格应为M10x1.5,螺纹长度应不小于20mm,施加扭矩约为42.16N.ITI. (40～50)N.HI,螺纹啮合长度为30mm,此设计已经通过整车试验
验证,车型已上市,运行良好.
参考文献
1王弘生TFJD内部培训资料,2009(5)
2中国汽车技术研究中心汽车标准化研究所.汽车设计标准资料手册(标
准件篇).吉林:吉林科学技术出版社,2000(9)
3中国机械工业标准汇编(第三版).北京:中国标准出版社,2004
4陈家瑞.汽车构造(下册).北京:机械工业出版社,2000(10)。