差速器螺栓装配扭矩稳定性与防松性能的研究.pdf

Automobile Parts 2023.06063Research on Assembly Torque Stability and Anti-loosing Performance of Differential Bolt差速器螺栓装配扭矩稳定性与防松性能的研究收稿日期:2022-09-22作者简介:凌云(1986),男,学士,研究方向为 DCT 和混动变速器总成设计。E-mail:。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.013差速器螺栓装配扭矩稳定性与防松性能的研究凌云1,2,陈辛波1,肖婷玲2,陈赛元21.同济大学汽车学院,上海 201804;2.麦格纳动力总成(江西)有限公司,江西南昌 330013摘要:影响螺栓装配扭矩和防松性能的因素较多,从螺栓使用的摩擦因数稳定剂、与螺栓法兰面接触的主减从动齿轮表面粗糙度和差速器壳体硬度 3 个因素方面进行试验研究,并通过装配试验和变速箱疲劳寿命试验验证。结果表明:摩擦因数稳定剂、与螺栓法兰面接触的主减从动齿轮表面粗糙度和差速器壳体硬度对装配扭矩有明显影响,差速器壳体硬度对差速器螺栓的防松性能有关键影响,并得出一组可以用于大批量生产的零件设计参数,使得差速器螺栓具有优异的装配扭矩稳定性和防松性能。关键词:差速器螺栓;装配扭矩;防松性能中图分类号:TH131Research on Assembly Torque Stability and Anti-loosing Performance of Differential BoltLING Yun1,2,CHEN Xinbo1,XIAO Tingling2,CHEN Saiyuan21.College of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Magna PT Powertrain(Jiangxi)Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330013,ChinaAbstract:There are many factors that affect the bolt assembly torque and anti-loosening performance.An experimental study was conducted on three factors:the friction coefficient stabilizer used in the bolt,the surface roughness of the main reducing gear at the contact with the bolt flange face,and the hardness of the differential housing,and it was verified by assembly test and gearbox fatigue life test.The result shows that the friction coefficient stabilizer,the surface roughness of the main reducing gear at the contact with the bolt flange face and the hardness of the differential housing have a significant impact on the assembly torque,and the hardness of the differential housing has a critical impact on the anti-loosening performance of the differential bolts.A set of design parameters of parts that can be used for mass production are obtained,which makes the differential bolts have excellent assembly torque stability and anti-loosening performance.Keywords:differential bolt;assembly torque;anti-loosening performance0 引言在前置前驱变速箱的差速器总成中,差速器壳体与主减从动齿轮常用螺栓连接。螺栓连接的预紧力大小为影响螺栓防松性能的重要因素,预紧力越大,螺栓的防松性能越好1。扭矩转角法装配可以通过控制转动角度实现对预紧力的精确控制,最大限度地降低摩擦因数对预紧力偏差的影响,得到数值大且离散程度小的预紧力2,充分利用螺栓的性能并减少螺栓数量,但在实际大批量生产中,差速器螺栓的摩擦因数跨度较大,容易出现装配扭矩超上限和下限的情况。而且差速器总成需要在交变温度环境中工作,并承受扭矩波动和交变载荷,差速器螺栓在如此恶劣的工况下仍需保持夹紧力,不能松脱。差速器螺栓一旦松脱或者断裂,将引起车辆的 NVH 问题,甚至损坏变速箱。因此差速器螺栓不仅需要提供足够大的预紧力,还需有良好的防松性能,才能保证连接的可靠性,如何保证差速器螺栓在实际大批量生产中具有稳定的预紧力以及良好的防松性能非常值得研究。本文研究了摩擦因数稳定剂、与螺栓法兰面接触的主减从动齿轮表面粗糙度(以下简称主减从动齿轮表面粗糙度)和差速器壳体硬度对差速器螺栓的装配扭矩和防松性能的影响,通过大量的装配试验及变速箱疲劳寿命试验进行验证,寻找到一组适合大批量生产的零件设计参数,既能保证产品在批量生产中具有稳定的预紧力,还能保证具有良好的防松性能,为差速器螺栓连接的设计提供参考。1 摩擦因数对扭矩的影响根据标准 GB/T 16823.219973,在屈服区内屈服紧固扭矩与屈服紧固轴力的关系为:Tfy=KFfyd(1)式中:Tfy为屈服紧固扭矩;K 为扭矩系数;Ffy为屈服2023.06 Automobile Parts064检测与维修Testing&Servicing紧固轴力;d 为螺纹公称直径。扭矩系数 K 的表达式为K=12dP+sd2sec+wDw(2)式中:P 为螺距;s为螺纹摩擦因数;d2为螺纹中径;为螺纹牙侧角;w为支承面摩擦因数;Dw为支承面摩擦扭矩的等效直径。按螺纹应力截面积及其等效直径计算屈服紧固轴力,其计算公式为:Ffy=yAs1+32dAP+sd2sec2(3)式中:y为螺栓的屈服点;As为螺纹公称应力截面积;dA为螺纹公称应力截面积的等效直径。由以上式子可知,当螺纹摩擦因数 s相对稳定时,屈服紧固轴力 Ffy也是相对稳定的;支承面摩擦因数 w越小,则扭矩因数 K 越小,屈服紧固扭矩 Tfy也就越小,即螺栓可在较小的扭矩下达到屈服紧固轴力。如果螺纹副的摩擦因数过大,则需要较大的装配扭矩才能使差速器螺栓达到屈服点,导致对拧紧枪的最大扭矩要求就很高。摩擦因数对于螺栓的防松性能影响大,摩擦因数越大,防松效果越好;摩擦因数越小,越不利于防松 4,因此摩擦因数也不能过低。在大批量生产中,不同批次的螺栓或同批次不同螺栓的摩擦因数都存在变差,变差的大小也影响着机件组装后的安全性。因此需研究如何减小摩擦因数的变差,并使摩擦因数在一个合适的区间,以保证装配扭矩的稳定性和差速器螺栓的防松性能。2 三因素对装配扭矩的影响2.1 技术要求差速器壳体和主减从动齿轮通过 10 个差速器螺栓连接固定,如图 1 所示。差速器壳体采用的材料为QT600-3;主减从动齿轮采用的材料为 20MnCrS5,表面硬度为 80.583.0 HRA,芯部硬度为 300 min HV10;差速器螺栓为 M121.25 的 12.9 级螺栓,公差等级为 6级,对螺栓进行了磷化处理,在螺纹处涂 PRECOTE 85系列的快干型螺纹锁固胶,螺栓法兰面的粗糙度要求为Rz25 m。差速器螺栓的装配采用扭矩转角法,先将螺栓拧紧至(705)N m,再拧转 8895的角度,终拧紧扭矩需在 125270 N m 范围内,拧紧后的螺栓需过屈服点,使主减从动齿轮与差速器壳体间的夹紧力达到最大值。图 1 差速器总成剖面2.2 摩擦因数稳定剂对摩擦因数及装配扭矩的影响摩擦因数稳定剂采用 PRECOTE TOP100 和 TOP300,它们是高分子聚合物的水性胶状分散液,一种特殊的干式润滑剂,一般采用浸渍方式涂覆,经烘干固化后会形成一层附着性佳的透明润滑薄膜,膜厚为 15 m,不影响螺栓公差。为研究涂覆不同浓 度 的 TOP100 和TOP300 对差速器螺栓摩擦因数、装配扭矩和防松性能的影响,制作了表 1 所示的 7 种螺栓。表 1 不同状态的螺栓分类螺栓分类螺栓状态类不涂摩擦因数稳定剂类涂 100%浓度的 TOP100类涂 50%浓度的 TOP100类涂 33.3%浓度的 TOP100类涂 16.7%浓度的 TOP100类涂 16.7%浓度的 TOP300类涂 9.1%浓度的 TOP300依据标准 DIN267-272009,在室温环境下对这 7类差速器螺栓的摩擦因数进行了检测,结果见表 2。由表可以看出,未涂摩擦因数稳定剂的差速器螺栓摩擦因数较大且跨度区间较大,涂了摩擦因数稳定剂的螺栓法兰面摩擦因数和总摩擦因数得到显著降低,由于螺纹处Automobile Parts 2023.06065涂的螺纹锁固胶也起减摩擦作用,螺纹处摩擦因数变化不大,随着摩擦因数稳定剂的浓度下降,螺栓的总摩擦因数有所增大。表 2 螺栓摩擦因数检测结果螺栓分类螺栓法兰面摩擦因数螺纹摩擦因数总摩擦因数类0.180.360.090.130.150.25类0.050.070.090.110.070.09类0.080.110.090.120.090.11类0.090.120.090.120.090.12类0.100.140.090.130.100.14类0.080.100.090.120.090.10类0.080.130.090.130.090.13摩擦因数的大小可直接反映在装配扭矩上,在同一个差速器中分别用 5 个类和 5 个类差速器螺栓进行装配得到扭矩数据,如图 2 所示。由图可以看出,未涂摩擦因数稳定剂的螺栓(类)拧紧扭矩都偏大,且较为离散;涂了100%浓度 TOP100 后的螺栓(类)装配扭矩得到大幅下降,且数据较为集中。图 2 类和类螺栓装配扭矩数据由图 2 还可以看出,不涂摩擦因数稳定剂的螺栓装配扭矩过大,而涂 100%浓度的 TOP100 后螺栓的装配扭矩又靠近 125 N m 下限,在大批量生产中,可能有一定比例的螺栓会超出装配扭矩的下限而导致不合格,螺栓也更容易松脱。为找到一个合适浓度的摩擦因数稳定剂,对类至类这 6 种差速器螺栓也进行装配试验,试验所用的差速器壳体、主减从动齿轮均为同一批次零件,本批次差速器壳体硬度为 200210 HBW,主减从动齿轮表面粗糙度为 Rz9 11 m,其扭矩数据如图 3 所示。由图可以看出,随着所涂 TOP100 或 TOP300 的浓度下降,螺栓的装配扭矩也变大且数据变得更为离散。其中涂 16.7%浓度的 TOP300 的螺栓装配扭矩离散程度较小且靠近要求的目标扭矩范围的中值。图 3 类至类螺栓装配扭矩数据2.3 主减从动齿轮粗糙度对装配扭矩的影响在螺栓连接中,被连接件的表面粗糙度对螺栓法兰面与被连接件之间的摩擦因数有影响,为确定一个合适的主减从动齿轮表面粗糙度要求,用表面粗糙度为 Rz10和 Rz16 的主减从动齿轮进行差速器螺栓装配试验并记录数据,差速器壳体和螺栓均为同一批次零件,差速器壳体的硬度为 200210 HBW,参考第 2.2 节的结果,选择差速器螺栓为类,即涂了 16.7%浓度的 TOP300。使用 Minitab 对测得的装配扭矩做双样本 t 检验,得到箱线图如图 4 所示。由图可以看出,主减从动齿轮表面粗糙度为 Rz16 m 时的装配扭矩比较靠近目标区间的中值,双样本 t 检验的 P 值小于 0.05,说明主减从动齿轮的表面粗糙度的改变对装配扭矩有显著的影响。图 4 主减从动齿轮不同表面粗糙度的装配扭矩的箱线图Research on Assembly Torque Stability and Anti-loosing Performance of Differential Bolt差速器螺栓装配扭矩稳定性与防松性能的研究2023.06 Automobile Parts066检测与维修Testing&Servicing2.4 差速器壳体硬度对装配扭矩的影响差速 器 壳 体 采 用 的 材 料 为 球 墨 铸 铁,标 准GB/T 13482019 中铁素体珠光体的球墨铸铁布氏硬度和抗拉强度的关系5如图 5 所示。由图可以看出,硬度越高时球墨铸铁的抗拉强度也越高,根据铁素体珠光体球墨铸铁的拉伸性能可知其屈服强度也越高。铜对球墨铸铁基体组织有强珠光体化的作用,加铜后的标准试样抗拉强度、屈服强度以及硬度都有很大的提高6,铜含量过低会导致差速器壳体部分区域的硬度过低,可以通过控制铜含量来控制差速器壳体硬度。图 5 球墨铸铁布氏硬度和抗拉强度的关系为研究该差速器壳体的硬度对装配扭矩的影响,用160170 HBW 和 200210 HBW 两种硬度的差速器壳体进行装配试验并记录数据,选择的主减从动齿轮为同一批次合格零件,挑选试验用的主减从动齿轮跟螺栓法兰面接触区域的粗糙度为 Rz1517 m,差速器螺栓为类,即涂覆 16.7%浓度的 TOP300。采用 Minitab 对试验所得数据进行双样本t 检验,得到箱线图如图6 所示。由图可以看出,差速器螺栓在硬度为 160170 HBW 的差速器壳体上的装配扭矩比硬度为 200210 HBW 的差速器壳体上的装配扭矩更低,双样本 t 检验的 P 值小于 0.05,说明该差速器壳体的这两种硬度对装配扭矩存在显著的影响。图 6 差速器壳体不同硬度时的装配扭矩的箱线图3 三因素对防松性能的影响为研究摩擦因数稳定剂、主减从动齿轮的表面粗糙度和差速器壳体硬度对差速器螺栓防松性能的影响,并减少试验验证时间和成本,利用 DOE 方法,将差速器壳体、主减从动齿轮和差速器螺栓的设计状态分为表 3 所示的 4 种组合。表 3 疲劳寿命试验分组A1 组A2 组A3 组A4 组差速器螺栓涂覆的摩擦因数稳定剂50%浓度的TOP10050%浓度的TOP10016.7%浓度的TOP30016.7%浓度的TOP300主减从动齿轮表面粗糙度 Rz/m10.216.310.516.5差速器壳体硬度/HBW161202205163因完整的变速箱疲劳寿命试验需要的时间长、成本高,识别出变速箱在 1 挡和倒挡工作时差速器所受的扭矩方向相反且正反方向的扭矩分别达到最大,因此可以从变速箱疲劳寿命试验载荷谱中摘取出 1 挡和倒挡的试验循环次数,只进行变速箱的 1 挡和倒挡的疲劳寿命试验来初步验证差速器螺栓防松性能。装配时记录各组的差速器螺栓装配扭矩,然后进行变速箱 1 挡和倒挡的疲劳寿命试验,如图 7 所示。图 7 变速箱疲劳寿命试验Automobile Parts 2023.06067试验后拆卸差速器螺栓并记录松动扭矩,所得数据如图 8 所示。图 8 螺栓装配扭矩和疲劳寿命试验后的松动扭矩数据从图 8 的松动扭矩试验数据来看,A1 和 A4 组均出现不同程度的螺栓松脱,甚至有螺栓出现松动扭矩为 0的情况;A2 和 A3 组均没有螺栓松脱。由此可见,当差速器壳体硬度只有 160 HBW 左右时,均有差速器螺栓出现松脱;当差速器壳体硬度达到 200 HBW 以上时,在两种摩擦因数稳定剂和主减从动齿轮两种表面粗糙度下,差速器螺栓均未出现螺栓松脱。综上分析可知,这两种差速器壳体硬度对差速器螺栓的防松性能有关键影响,这两种浓度下的摩擦因数稳定剂和主减从动齿轮的这两种表面粗糙度对差速器螺栓防松性能的影响相对不明显。4 设计参数的确定和验证4.1 设计参数确定根据第 2 和 3 节中的试验结果,差速器螺栓摩擦因数的稳定剂选取 16.7%浓度的 TOP300,主减从动齿轮表面粗糙度根据加工的过程能力定义粗糙度要求为Rz1020 m,结合 GB/T 13482019 定义差速器壳体法兰面区域的硬度要求为 200270 HBW,采用这组参数,既能达到设计的预紧力要求,装配扭矩也可以分布在目标扭矩区间的中间区域,差速器螺栓在变速箱 1 挡和倒挡疲劳寿命试验后也不会松脱。4.2 装配扭矩曲线测试为确认装配后的螺栓是否达到屈服点及距离螺栓断裂是否还有足够安装空间,进行了装配扭矩曲线测试,先将每个螺栓装配至螺栓法兰面与主减从动齿轮法兰面贴合,然后将螺栓拧紧至所有螺栓断裂,在拧紧过程中监控并记录装配扭矩和角度。试验用的差速器壳体硬度为 205 HBW、主减从动齿轮粗糙度为 Rz16.4 m、差速器螺栓涂覆 16.7%浓度的 TOP300,试验后零件如图 9 所示,试验测得的扭矩曲线如图 10 所示。由图 10 中的曲线可以看到,螺栓在达到70 N m 后,继续拧转5060时就已经达到屈服点,在拧至 90后,还需要再拧转近360才有螺栓断裂。说明在这组参数下,螺栓按 70 N m加 90的方式拧紧可以达到设计的预紧力且没有螺栓断裂风险。图 9 装配扭矩曲线试验后零件图 10 差速器螺栓装配扭矩曲线4.3 完整疲劳寿命试验验证为验证差速器螺栓在变速箱进行完整疲劳寿命试验后是否仍然不会松脱,对变速箱进行完整的疲劳寿命试验,并记录试验前的差速器螺栓装配扭矩和试验后的松动扭矩,数据如图 11 所示。由图可见,差速器螺栓在试验后未松脱,满足防松耐久性要求。Research on Assembly Torque Stability and Anti-loosing Performance of Differential Bolt差速器螺栓装配扭矩稳定性与防松性能的研究2023.06 Automobile Parts068检测与维修Testing&Servicing图 11 完整的疲劳寿命试验前后扭矩4.4 批量生产时的装配扭矩稳定性图 12 为批量生产 12 057 台变速箱的差速器螺栓装配扭矩直方图,均值为 183.6 N m,标准差为 11.43,查数据得最小值为 137 N m,最大值为 270 N m,270 N m表示差速器螺栓还未装配到 90就已经达到规范的上限值而停止了装配,经查询数据,只有一个螺栓的扭矩超出规范,即只出现一台差速器总成装配不合格,差速器螺栓装配工序的合格率达到 99.99%,说明在批量生产中,差速器螺栓装配扭矩的稳定性很好。图12 批量生产的12 057 台变速箱的差速器螺栓装配扭矩直方图5 结束语本文从螺栓使用的摩擦因数稳定剂、与螺栓法兰面接触的主减从动齿轮表面粗糙度和差速器壳体硬度 3 个因素方面进行试验研究。结果表明,差速器螺栓采用扭矩转角法拧紧时,摩擦因数稳定剂的种类和浓度、主减从动齿轮表面粗糙度和差速器壳体的硬度对差速器螺栓的装配扭矩都有明显影响;差速器壳体硬度对差速器螺栓的防松性能有着关键影响,试验所选的摩擦因数稳定剂的种类和浓度、主减从动齿轮表面粗糙度对差速器螺栓防松性能的影响则相对不明显。本文经过试验及数据分析,找到了一组适合于大批量生产的设计参数,可以为同类型产品的设计提供参考。参考文献:1 莫易敏,梁绍哲,晏熙,等.汽车高强度螺栓的防松性能的影响因素研究J.机械设计与制造,2015(9):89-92.MO Y M,LIANG S Z,YAN X,et al.A study of effects on anti-loosening performance of automobile high-strength threaded fas-tenersJ.Machinery design&manufacture,2015(9):89-92.2 张继伟.汽车螺纹连接结构防松性能提升及多目标优化设计D.武汉:武汉理工大学,2019.3 全国紧固件标准化技术委员会.螺纹紧固件紧固通则:GB/T 16823.21997S.北京:中国标准出版社,1997.4 莫易敏,梁绍哲.摩擦因数对微车高强度螺栓联接性能的影响研究J.机械科学与技术,2014,33(9):1408-1412.MO Y M,LIANG S Z.Effect of the friction coefficient on the con-nection performance of high strength bolted joints in micro-carJ.Mechanical science and technology for aerospace engineering,2014,33(9):1408-1412.5 全国铸造标准化技术委员会.球墨铸铁件:GB/T 13482019S.北京:中国标准出版社,2019.6 王令,李志华.铜对汽车差速器壳体 QT500-7 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