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哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)論文（設計）—資料翻譯
叉車驅動橋鎖緊螺母松動分析
S. J. Chu
School of Mechanical Engineering, University of Ulsan, Ulsan,
680-749, Korea 摘 要
本研究探討鎖緊螺母在叉車驅動橋上松動的原因。輪軸的結構組件分析顯示在鎖緊螺母的接觸表面的滑移是相當大的，尤其是當軸承組的預加載荷缺乏的時候。肉眼觀察的磨損接觸面的顯示，圓形的劃痕形成的半徑幾乎與結構分析在滑移距離的結果相同。鎖緊螺母的松動模擬實驗成功進行。
關鍵詞：螺紋松動;結構分析;軸承預緊力;滑點;實驗模擬。
第1章 介紹
在叉車的傳動系統中，扭矩以相對較低的速度傳遞給驅動橋。因此，一個直徑相對較小的軸就可以傳遞所需要的功率。在驅動橋中，該轉矩通過行星齒輪減速增扭，并傳遞到輪軸。因此，有足夠大的扭矩傳遞給車輪。
行星齒輪系統包括一個太陽輪，三個行星齒輪和一個齒圈。輸入軸連接到太陽輪，而輸出軸被連接到行星齒輪，與此同時，齒圈則是一直固定的。這是一個典型的減速裝置。由于輪軸通過花鍵連接到行星架，因此無法在缺少鎖緊螺母的情況下將輪軸固定在行星架上。當鎖緊螺母被擰緊時，它將輪軸而行星架表面連接到一起。圓錐滾子軸承套之間互相緊挨，增大軸承套支承在輪軸的預載荷。
鎖緊螺母的松動故障時有發(fā)生。在工廠收緊的鎖緊螺母被松開后，在該區(qū)域旋轉。因此，輪軸可能反復來回滑動。如果情況進一步惡化，輪軸有可能完全從行星架拉出，從而造成如叉車側翻等的嚴重事故。
許多研究人員對松動的螺栓現象進行了研究。派和海斯發(fā)現螺栓松動是由于被夾緊的表面間的滑移，即螺栓頭和夾緊件的螺紋之間或螺栓和螺母之間的滑移。凱西，弗里德和蘭芝則進行了一項螺栓搭接接頭通過反復施加剪切載荷而引起的緊固板之間的滑動的螺栓松動測試。巴特查亞，森和達斯通過施加垂直于螺栓軸線的螺紋緊固件的振動來測試的防松能力。
在本文中，鎖緊螺母松動的原因，采用了驅動橋總成的三維有限元分析，肉眼觀察失效的鎖緊螺母面和在試驗臺上進行實驗模擬等多種研究方法。 第2章 失效分析與仿真
2.1.猜想與結構分析
鎖緊螺母的頂面原來是一個平坦表面，如圖1(a)所示。它是通過在輪軸上的軸向緊固力保持與行星架的接觸。失效的鎖緊螺母如圖1(b)所示，其中的環(huán)形區(qū)域有所降低，降低的區(qū)域的徑向厚度為3.5mm。這僅僅是一個徑向厚度的區(qū)域重疊的行星架的表面。鎖緊螺母顯現仿佛它正在因為過度的接觸壓力而坍塌壓縮。在本研究中使用的有限元分析的工具是CATIA的結構分析模塊。
圖1(a) 圖1(b)
無關的問題的某些部分已從研究中剔除。在圖2的結構分析中，只有六個部分為藍本(1：輪軸，2：軸承32012，3：軸承33013，4：支承載體，5：鎖緊螺母，6：行星架)。
輪胎的輪負荷是通過輪轂殼體傳遞到輪軸，再從輪軸傳遞到圓錐滾子軸承，由軸承套支承。在圖2中未顯示的間隔圈，限制了軸承之間的最小距離。因而軸承上的預加載可以是有界限的，可用預先設定的電平加以限制。因為它是預載荷在失效中發(fā)揮重要作用，所以軸承被更詳細地分為由三個獨立的部分：即內圈，滾子和外圈。因此，8個接觸體相連，如表1所示。多種類型的連接可在CATIA結構分析中找到，如接觸連接，連接緊固，緊固螺栓連接等。由于在這個問題上的所有連接都基本上彼此相關，所以接觸的連接通常被廣泛使用。有節(jié)制地使用固定連接，滑動或分離則不太會發(fā)生。這并不會影響該方案，但允許更容易和更簡單的建模。所述螺栓擰緊連接被廣泛地用于擰緊鎖緊螺母。利用對稱性時，組件沿垂直對稱平面切割，則只有一半需要建模。線性四面體單元網格是在生產是設定全球網目尺寸為5毫米。關鍵部件，如軸承，鎖緊螺母，其接觸表面，本地網孔尺寸被設置到2.5毫米。其中，鎖緊螺母的材料為SCM440。
圖2
所述承載殼的凸緣被夾持以作為位移的邊界條件，該載體的左右兩端除了軸向位移外其余也被約束。在行業(yè)中，鎖緊螺母要被擰緊，直到以無車輪載荷下轉動輪軸所需要的扭矩增大到一定程度。鎖緊螺母被擰緊到預定扭矩T，在承載面的摩擦被認為以及在螺紋上的摩擦。鎖緊螺母的緊固力Q選自計算式(1)和表2中公式：
T = Q dm tan(λ+ρ) /2+fQRm
輪負荷是在輪軸垂直施加的，任一單輪胎或雙輪胎都可以安裝在車輪上。如果安裝雙輪胎時，則負載的中心會偏離輪軸74毫米，如圖(3)所示。
因為輪負荷的幅度和荷載作用點之間的距離較大，所以相比于單輪胎類型而言，雙輪胎類型會導致輪軸承受更多的彎矩。由于輪殼體已被移除，則負載在中心的空點處施加。類似于剛性連接虛部，在CATIA結構分析用于負載的中心連接至輪軸。
作為所述隔離物，對軸承的預載荷取決于墊片與內圈之間的間隙。本研究對初始間隙1.0毫米和無間隙這兩個典型的案例進行了分析。
圖3
圖4(a) 圖4(b)
圖4(c)
首先，假定初始間隙為1毫米。結構分析結果表明，這兩種軸承都很好地將擰緊力施加在預裝的鎖緊螺母上。如圖4(a)所示。
接著，由于雙輪胎被施加負荷，左軸承的上部有最嚴重的壓縮而右軸承的下部則沒有這么嚴重的壓縮，如圖4(b)所示。施加在鎖緊螺母的接觸應力為大致小于1MPa，這個應力尚不能引起屈服。被壓縮的環(huán)形表面無法通過簡單的壓縮接觸壓力來形成。據發(fā)現，即使當車輪的軸是由預加載的軸承支撐，也是在相對于所述承載殼平面稍微轉動，而不是在平面外。行星架面鎖緊螺母的滑動，如4(c)所示。
第二，人們認為墊片和內圈之間沒有初始間隙。結構分析結果表明，這兩種軸承都不能預加載，僅內圈能被施加為如圖5(a)所示的鎖緊螺母緊固力。
接著，作為雙輪胎施加負荷，左軸承的上部有最嚴重的壓縮，同時右軸承的下部也被壓縮，如圖5(b)所示。相比第一種情況，滾子的壓縮部分在第二種情況下是較小的。鎖定螺母的接觸應力也大致小于1 MPa以下，該應力也太小，無法引起屈服。由于輪軸由??未預加載的軸承來支承，它在相對載波殼體平面中嚴重地轉動。鎖緊螺母在載體面滑動0.44毫米，如圖5(c)所示。相比第一種情況下為1.0毫米的初始間隙，滑移已增大到2.4倍。
圖5(a) 圖5(b)
圖5(c)
滑移都被看作是相關的松動。松動的過程與圖 6所示情形非常相似，是一種松動失效。
2.2.肉眼觀察
降低的環(huán)形表面用較低分辨率的USB數字顯微鏡進行觀察。其中的高度，即徑向厚度，為3.5mm。很容易觀察到許多圓形的劃痕，好像它們沿圓周方向被一前一后堆疊著。
圓弧的圓的直徑是通過繪制在照片上的圓計量進行測量的，大約為1.0mm，如圖7所示。
圖7
在考慮兩種幀的情況下對圓形劃痕形成過程進行了研究，如圖8所示。
圖8
其中一幀是像是一個靜止觀察者，而另一個是一個帶有鎖緊螺母的旋轉框架，像是觀察者在旋轉的鎖緊螺母上的視角。
鎖緊螺母旋轉的輪軸通過向下滑動來固定框架，而圓形劃痕則在鎖緊螺母表面慢慢形成。從結構分析結果來看，當軸承不預裝是滑動距離最大達到0.44毫米，滑動距離與到圓形劃痕的半徑一致。
即使預裝軸承市，滑移也會發(fā)生。如果鎖緊螺母的材料不耐磨，則環(huán)形區(qū)域最終會被磨掉。此時緊固力很快就會下降，這種情況會導致類似于以前的結果。
2.3.實驗模擬
鎖緊螺母在測試表上進行了松動的實驗模擬。
圖9
如該圖9所示，在輪軸前端的輪轂凸緣是由一個液壓致動器的模擬輪在向上提拉。同時，輪軸的后端部被連接到一個電動機的模擬驅動載體上。法蘭殼體則用一個垂直厚板夾緊在桌子上。電機的轉速設定為150rpm，負荷設定為34kN。因為在輪軸端部的垂直位移開始增加，這表明鎖定螺母被擰松，實驗模擬到此停止。拆開輪軸組件，觀察鎖緊螺母的接觸表面。降低的環(huán)狀區(qū)域被擴大，但并不完全。
如圖10所示，疲勞區(qū)域正在發(fā)展成為二十個獨立的區(qū)域。半徑0.3?0.4 mm圓形的劃痕如圖11所示，半徑比鎖緊螺母在現場操作的小。由于接觸表面被越來越多地磨損，所以半徑有望達到0.5mm左右。
圖10
圖11
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結論
鎖緊螺母的接觸面由過大的接觸壓力首先出現崩塌。然而，結構分析結果表明，該應力并沒有大到足以引發(fā)屈服的程度，但在接觸表面上引起的滑移是相當大的。當沒有預裝軸承是，滑移變的更大。
肉眼觀察的接觸面的顯示，在其上產生了相當數量的圓形劃痕。由于鎖螺母的旋轉，垂直滑移也會產生相應的圓形劃痕。圓形劃痕的半徑對應相應的垂直滑動。
對鎖緊螺母的失效進行了實驗模擬，當加載點的位移開始增加時，模擬即被停止。圓形劃痕在模擬實驗中成功形成?？梢缘贸鼋Y論，鎖緊螺母因為其表面的滑移而被松開，表面的失效磨損則加速了松動。