变速器输出法兰凸缘螺母夹紧力测定方法研究与应用

杨溢 张建刚 王凯

摘 要：准确地测定变速器输出轴凸缘螺母的夹紧力，对于评估输出轴的紧固性能是至关重要的。但通过传统的超声波进行输出轴夹紧力测定存在诸多困难。本文通过对副箱输出结构详细研究，以里程表转子的夹紧力-应变为基础，通过夹紧力标定-数据处理-方法应用三个步骤，得到了一套完整的输出法兰轴凸缘螺母的夹紧力测定方法。并将测定方法应用于车间现场，得到了某型变速器输出轴凸缘螺母的夹紧力值，并通过计算公式得到某型变速输出轴凸缘螺母的K系数，为随后评估法兰的紧固性能提供重要参数依据。

关键词：变速器输出轴法兰;凸缘螺母;夹紧力;K系数

1 引言

夹紧力作为紧固性能的重要参数，对紧固性能起着决定性作用。夹紧力过大，会导致夹紧结构的压溃或螺栓断裂，夹紧力过小会导致螺母松动紧固失效，因此对于紧固性能的评估的首要工作是夹紧力的测定。

准确地测定变速器输出轴凸缘螺母的夹紧力值，对于评估输出轴法兰的紧固性能有着至关重要的作用。但由于输出轴的直径较大，如采用常用的超声波夹紧力测定方法测定其夹紧力，则会有以下问题，其一，由于我厂的变速器输出轴的直径较大，导致其结构的刚度较大，那么在对其应变-夹紧力标定时，会存在标定数据不准的情况;其二，同样由于直径较大，在进行超声波测定时，其超声波信号反射波长会存在较大差异，影响标定结果。基于上述原因，通过超声波测定输出轴的夹紧力值是不可靠的。

通过对我厂的变速器输出轴结构的详细研究分析，并结合有限元受力分析，最终发现，大多数的变速器中里程表转子前端面只与输出法兰接触，后端面只与轴承内圈接触，在凸缘螺母拧紧时，里程表转子受力简单。以某型变速器为例，其输出轴结构见图1，可看到，其里程表转子受力简单。

本测定方法以里程表转子的受力及应变测定为基础，通过里程表转子的夹紧力-应变标定得到相关应变值，然后通过统计及数据处理方法得到准确的夹紧力-应变曲线，最后将标定曲线应用于现场夹紧力测定，得到变速器的输出轴法兰凸缘螺母的夹紧力值。并通过夹紧值计算结构的K系数，为后期的紧固性能评估提供重要参数指导。

2 测定设备及内容

2.1 测定设备

本次试验为里程表转子的夹紧力-应变标定试验，采用的设备有250KN高频压力试验机、HBM数据采集设备、贴好应变片的里程表转子3个。

2.2 测定步骤

具体试验步骤如下，试验加载及应变测定示意图如图3所示：

a.将贴好应变片的里程表转子装入输出轴结构中，安装法兰盘，不安装凸缘螺母;

b.将输出轴结构放到高频压力试验机中央位置，連接应变数据采集设备，将测定应变清零;

c.高频压力机对法兰盘加载，按照每10KN为一增量步，从0KN加载到150KN，测定每次加载的应变值;

d.压力卸载，转动转子90°，重复c操作，再转动两次转子完成c操作;

e.对其余两转子进行同样的应变测定。

3 夹紧力-应变数据处理

3.1 数据处理

本次标定试验共得到，3个里程表转子夹紧力-应变数据180组，以采用测试结果3倍标准差离散度最小为数据分析目的，对上述180组数据进行分析梳理，采用线性回归方法，得到转子夹紧力-应变标定曲线y=-6.388x-0.001，其中y为应变值，x为夹紧力值。

4 方法应用

为了测定现场装配按照450Nm的凸缘螺母夹紧力值，将已标定的转子安装在装配车间的主轴上，安装450Nm要求，拧紧螺母，测定拧紧后的转子应变值，通过已有的标定曲线，计算出现场的夹紧力值，本次测定了10台次，车间测定如图5所示，其夹紧力值及分析参数见表2。

由上述测定得到拧紧扭矩M=450Nm，夹紧力F=62.4KN，按照拧紧系数K=M/Fd得到K=0.144。按照VDI2230计算拧紧系数α=Fmax/Fmin=69.0/56.5=1.22<1.6，拧紧系数α符合VDI2230中规定的电动拧紧工具的α小于1.6的要求。

5 结论

本文通过标定里程表转子的夹紧力（x）-应变（y）关系，得到关系曲线，通过关系曲线得到实际装配夹紧力值，共完成了以下几点工作：

（1）得到夹紧力（x）-应变（y）关系曲线y=-6.388x-0.001;（2）运用标定曲线计算得到车间现场某型变速器拧紧的凸缘螺母夹紧力的均值为62.4KN，根据公式得到其拧紧系数K=0.144;（3）根据VDI2230计算得到拧紧系数α=1.22，满足VDI2230中规定的电动拧紧工具的α<1.6的要求;（4）为相似结构的夹紧力的测定提供了方法参考指导，为公司节约了委托外单位的研发测定夹紧力的经费开支。

总之，通过上述工作，找到了一种测定凸缘螺母的夹紧力测定方法，得到现场某型变速器凸缘螺母的夹紧力值，为随后的法兰紧固性能的评估提供了有力的数据保证。

参考文献：

[1]VDI2230 第一部分 高强度螺栓连接的系统计算.

[2]副箱分装工位螺栓拧紧测试分析，阿特拉斯 科普柯.