一种等距型面多环过盈连接结构设计

张磊，张莉，许帮柱

（陕西万方汽车零部件有限公司，陕西 西安 710200）

引言

1 三角形等距型面截面描述

目前一种扭转梁结构，使用实心圆轴扭杆与左右扭力臂焊接而成，产品较为笨重，现使用圆管代替圆轴进行轻量化设计，但焊接结构疲劳强度低，在扭转工况下，焊缝处易开裂。本文采用一种三角形等距型面过盈配合连接方式，提升抗振性和疲劳强度，适用于传递转矩大、可靠性高的场合。

本文描述了三角形等距型面的几何作图，结构设计，过盈量的计算，以及过盈装配工艺流程和设备能力需求的研究。

对三角形等距廓线曲线进行描述（如图1）：在以坐标原点O为圆心的基圆上取互为120°三个点O1、O2、O3；以原点O为圆心，分别作直径D2的外包络圆和直径D3的内包络圆；以O1为圆心，作一段与外包络圆相切的小圆弧，反向作一段与内包络圆相切的大圆弧；分别以O2、O3为圆心按上述方法作圆弧，使相邻圆弧的端点线相切、重合，D1为型面等距值。

图1 三角形等距型面截面

设计时，上述作图法对应参数可参考选用表1中提供的DIN32711的P3G数据。表1中数据不能满足实际要求时，可以按插值法选取各参数值。

表1 DIN32711推荐使用P3G参数表

2 结构与工艺方案

2.1 产品结构

扭转梁为对称结构，左、右扭力臂材料为铸钢RZG340-510，三角形等距型孔根据表1选择基本尺寸D1=60mm，D2=64.5mm，D3=55.5mm，最小厚度为11mm。圆管材料为Q345B-Φ55×5mm精拔管。通过三角形等距型面楔子将圆管冷挤压胀形，使管外壁与左、右扭力臂对应的三角形等距型孔内壁过盈配合，实现圆管、扭力臂和楔子相互过盈配合[1]，配合面长度为50mm，装配示意图如图2所示。

图2 装配截面示意图

2.2 工艺方案

上述梁结构需横向同时压装，保证工艺的可靠性，则必须使用专用液压压装设备，为保证楔子在压装过程中不被压溃，可将圆管两端头进行扩口成型，再进行过盈压装，具体压装工艺流程如下：

（1）固定夹持圆管，利用设备液压油缸产生的压力将冲头压入圆管两端头，完成扩口成型（胀形）；

（2）退出冲头，将左、右扭力臂三角形等距型孔对应过盈安装在扩口后的圆管两端；

（3）再将楔子从圆管两侧同时完全压入扩口孔内，实现过盈配合[2]；

（4）取下总成，完成装配。

通过两次过盈装配，实现圆管、扭力臂和楔子相互过盈配合的可靠性。

3 数据计算

依据上述结构及装配工艺方案，管口胀形时，通过目前成熟扩口工艺及定制模具将Φ55×5mm管材端口扩为外轮廓基圆（等效直径D1）60mm的三角形等距型边界，理论壁厚减薄为4.5mm，此时所需楔子外轮廓基圆尺寸应为51mm。要实现多环过盈配合，需计算出胀形管与扭力臂配合公差、胀形管端尺寸公差及校验材料强度，再计算出楔子尺寸公差和所需材料强度[3]。

3.1 胀形管与扭力臂配合

3.1.1 配合公差选择

已知此扭转梁传递扭矩T=12000N·m，装配后不拆卸，为保证不产生周向滑移，当径向压力为p时，在扭矩T的作用下，配合面间传递的摩擦阻力应不小于扭矩T，则有：

d—为胀形管外轮廓基圆，d=D1。

采用压入法装配，有润滑时，取f=0.08，得：

根据材料力学厚壁圆通计算理论，过盈连接传递载荷所需的最小过盈量为：

C1—为圆管的刚性系数，；

C2—为扭力臂的刚性系数，；

E1、E2—分别为圆管与扭力臂材料的弹性模量，E1=E2=206GPa；

d1、d2—分别为管口平均内径与扭力臂平均外径，设楔子内径d1=51mm，扭力臂安装孔最小等效外径d2=82mm；

a1、a2—分别为圆管与扭力臂材料的泊松比、则a1=a2=0.3。

配合表面的微观峰尖被擦去或抹平一部分，应增加被擦去部分2u=0.8（Rz1+Rz2）：

u—为两配合表面上微观峰尖被擦去部分的高度之和，取0.4（Rz1+Rz2），单位为μm；

Rz1、Rz2—分别为圆管及扭力臂配合表面上微观不平度的十点高度，单位为μm，值随表面粗糙度而异，在此结构设计表面粗糙度为3.2，见表2，Rz1=Rz2=10μm。

表2 加工方法、表面粗糙度及Rz

由式3得最小过盈量：δmin=163μm。

3.1.2 材料强度校核

根据上述配合的最大过盈量可计算出装配后可能产生的最大径向力pmax：

由上式计算得装配后最大径向力Pmax=63MPa。

零件材料为塑性材料，按第三强度理论（σ1-σ3≤σS）检验其承受最大应力的表层是否处于弹性变形范围内。设σS1、σS2分别为被包容件及包容件材料的屈服极限，不出现塑性变形的校验公式为：

对被包容件内表面：

对包容件内表面：

由设计结构材料特性可查的得σS1=345MPa，σS2=340 MPa，代入公式得：

由计算得知，包容件内表面未发生塑性变形，即配合零件强度足够，而被包容件表面发生塑性变形，即压装时扭力臂不发生塑性变形，胀形管口会发生变形，由此证明使用楔子来保证过盈配合性能的必要性。

3.2 确定楔子尺寸公差及材料强度

楔子与胀形管之间的过盈配合选择H7/u6，即胀形管内轮廓基圆尺寸为，楔子外轮廓基圆尺寸为。可能产生的最大过盈量δmax=106μm，楔子设计为实心，压装可能产生的最大径向力按公式（4）计算得pmax=111.5MPa。

根据实心轴强度验算公式σS≥2pmax，即楔子屈服强度应大于223MPa，选20钢可用。

3.3 最大压装力

采用压入法装配时，为了选择所需压力机的容量，应将其最大压入力按下列公式计算：

最大压入力：

最大取出力：

μ—摩擦系数，取μ=f=0.08；

l—配合长度。

则可得胀形管压入摇臂安装孔内所需最大压入力为F1=0.08×3.14×60×50×63≈47.5KN，楔子装配时的最大压入力为F2=0.08×3.14×51×50×111.5≈71.4KN。

由计算可知在有润滑条件下使用7.5吨压力机可满足此结构装配。

F0=92.8KN～107.1KN，即需要92.8KN～107.1KN的力才可将过盈装配结构拔脱分离，满足结构可靠性。

4 结论

对三角形等距型面过盈连接结构设计，提供了一种新型连接方式，选用圆管代替实心轴，采用与传统过盈配合不同的多环过盈配合，以取代传统焊接形式，进行轻量化设计，避免因焊接缺陷导致的失效风险，且结构造型美观；三角形等距型面在扭转情况下工作，具有极优的防转动功能；在无专业设备作用下，很难将该结构分离，提升结构的疲劳强度。通过计算合理选择楔子公差及材料，计算出压装时所需设备吨位，并介绍一种可行的工艺方法，增加成品率，以满足加工要求。对三角形等距型面过盈连接结构适用于扭转工况的连接件，如用于重卡翻转轴，及应用于焊接管类支架轻量化设计当中。