V型推力杆紧固螺栓断裂、松动问题分析与改进

杨银辉

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

V型推力杆紧固螺栓断裂、松动问题分析与改进

杨银辉

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

以某公司6×4牵引车后悬架V型推力杆V端螺栓断裂、松动问题为研究对象，通过分析驱动工况、制动工况时V型推力杆的最大受力情况，校核了推力杆螺栓的强度，结果显示是由于原V型推力杆紧固螺栓强度不足导致螺栓断裂，并结合厚垫圈防松原理，确定改进方案，即将V型推力杆紧固螺栓由M20改为M22，在铸造横梁与V型推力杆紧固处增加45mm厚垫圈后，解决了螺栓断裂、松动问题，该方案经过用户实际使用和10000km的综合道路试验验证，改善效果较好，减少了用户抱怨和经济损失。

螺栓断裂；螺栓松动V型推力杆；受力分析；强度校核

CLC NO.:U463.21 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-101-03

引言

V型推力杆主要应用在非独立悬架的单桥或双后桥重型汽车上，连接着车架与车桥，其目的主要是为了克服钢板弹簧只能传递垂直力和侧向力而不能传递牵引力、制动力及其相应的反作用力矩；作为汽车悬架系统的重要组成部分，通常设置在载重汽车中、后桥上：其一端与车架铰接，另一端则与中、后桥相铰接：其作用主要是传递纵向力及其力矩和横向力及其力矩，如牵引力，制动力及汽车转弯时的离心力等，V型推力杆的安装通过螺栓组与车架联接，螺栓紧固一旦失效、松动就会影响到车辆的安全性能，本文针对某6×4牵引车后悬架V型推力杆V端螺栓断裂、松动问题，从设计理论角度对失效原因进行分析，最终通过设计优化解决该问题。后悬架结构及失效螺栓安装如图1所示。

1、理论分析

螺栓失效与零部件加工尺寸、表面光洁度、表面处理、螺栓的设计强度是否合理均有关。失效后的螺栓如图2所示。本文主要从设计角度对连接螺栓强度进行了校核分析。

1.1 参数输入

表1 某6×4牵引车相关参数

1.2 V型推力杆受力分析

推力杆承受纵向力的频次（驱动、制动）比承受侧向力的频次（转弯、横坡）要多，以下分别在最大驱动工况和最强制动工况对V型推力杆进行了纵向的受力分析。为简化模型，不考虑推力杆的倾斜角度，推力杆受力模型如图3所示。

1.3 最大驱动工况

在最大驱动工况时，V型推力杆（同上推力杆）受力与车辆行驶方向相反，下推力杆受力向前，轮胎与地面的摩擦力向后。最大驱动工况时的驱动力可参照该车的发动机最大扭矩、变速器一档速比、后桥速比、路面覆着系数及传递效率进行计算得出：

参照图 3，再根据力矩平衡原理，驱动桥上下推力杆的力矩应为平衡状态。

式中，A=389mm，B=175.5mm，将以上数据及表1数据代入公式可得最大驱动工况时上推力杆所受最大力 FA= 89.8kN。

1.4 最强制动工况

在紧急制动时，制动器在驱动桥中心作用较大制动力矩M，保证驱动桥轮胎抱死，增加该制动力矩后，使得上推力杆受力向前，下推力杆受力向前，轮胎与地面摩擦力向后。上下推力杆受力形成的力矩与桥中心形成的力矩平衡，可得：

结合表1数据，可得在22t最强制动工况下，上推力杆所受最大力为FA=36.3kN。

1.5 V型推力杆受力分解

经以上分析，最大驱动工况时上推力杆（即V型推力杆）受力最大为89.8kN，后续将按照此校核V端螺栓强度。参照二力杆作用原理，将V型推力杆可看成2个二力杆件组成，纵向力在两个V端受力分解如图4所示。杆向最大力R即为V型推力杆V端与铸造横梁连接螺栓受力大小。

其中θ=55.3°，F1=FA=89.8kN，将数据代入以上公式，可得V型推力杆一端处螺栓受力大小R=50.7kN。

1.6 V型推力杆紧固螺栓受力分析

V型推力杆与铸造横梁部位采用2条M20×2的螺栓，螺栓材料 40Cr，性能等级 10.9级，其σb=1000Mpa，σs=900Mpa，该螺栓其他相应参数如下表2：

表2 M20×2螺栓相关参数

拧紧力矩公式T=kFd，式中k为扭矩系数；F为预紧力，kN；d为螺纹公称直径，mm。

可得预紧力大小为F=T/kd=560/(0.22×20)=127kN。

1.7 改进方案

（a）增大螺栓规格，将2条M20×2螺栓更改为2条M22×2，其螺栓参数如下表3：

表3 M22×2螺栓相关参数

可得M22螺栓杆应力为 ＜ ，螺栓强度满足要求。

（b）由于该处螺栓主要承受轴向力，增加厚垫圈的结构进行防松对螺栓松动改善较大，厚垫圈结构因螺栓贯穿推力杆球头和厚垫圈，比普通结构的长度加长，刚度减小，装配时需多拧转螺纹副，产生足够的弹性变形量，消耗更多的螺栓变形能，预紧力才会与普通结构的预紧力相等。承载时外载荷就需要多做功，抵消全部的螺栓变形能，螺纹副才会松动。虽然螺栓规格加大后，可解决螺栓断裂问题，但不能完全解决螺栓松动问题，为此，如图5、图6所示，在V型推力杆与铸造横梁连接处增加厚度45mm的垫圈后，相比原结构螺栓加长 45mm，刚度减小，使得拧紧时需要消耗更多的功，起到了防松作用。

2、结束语

本文通过分析驱动工况、制动工况时V型推力杆的最大受力情况，重新校核了推力杆螺栓的强度，结果是由于原V型推力杆紧固螺栓强度不足导致螺栓的断裂，结合厚垫圈防松原理，确定改进措施，即将 V型推力杆紧固螺栓由 M20改为M22，并在铸造横梁与V型推力杆紧固处增加45mm厚垫圈后，经市场用户使用和10000km综合道路试验验证，未再出现螺栓频繁松动、断裂问题。

[1] 局刚，李海波，修永芝.重型工程车推力杆的设计匹配[J].专用汽车,2012（2）74～77.

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[4] 侯亚萍.螺纹联接的防松方法[J].机械工程师，2010（7）18～19.

Analysis and Improvement of Fastening Bolts Broken and Loose for V-Type Thrust Rod

Yang Yinhui
（Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

After a company with 6 × 4 tractor suspension v thrust rod end bolt fracture, loosening problems for the study, by analyzing the driving conditions, the maximum braking force when the case condition v-type thrust lever, check the thrust rod bolt strength, the results showed that since the original v-type thrust rod bolts fastening bolt break due to insufficient strength, combined with thick gasket locking principle, to determine the improvement program, the upcoming v-type thrust rod fastening bolts from M20 to M22, after casting the beams and v-type thrust rod fastened at increased 45mm thick washer solve bolt break and loose problems,users actually through the practical use verification of user and a comprehensive 10000km road test, get a good improvement effect, reducing the user complaints and the economic losses.

bolt fracture; bolt losse; v-type thrust rod; stress analysis; strength verification

U463.2

A

1671-7988(2015)05-101-03

杨银辉，硕士研究生，主要从事商用车底盘悬架系统设计，就职于陕西重型汽车有限公司。