某轻卡双扭杆机构扭杆力调节螺栓（螺母）强度校核计算

陈鹏飞，顾鴃，黄康

（安徽江淮汽车集团股份公司技术中心，安徽 合肥 230601）

引言

随着卡车运输的普及，为了便于整车的维修和保养，目前大多数平头载货汽车驾驶室可向前翻转。其翻转机构可分为机械式、液压式两种。机械式翻转主要是利用扭杆的扭转力矩克服驾驶室的重力矩来实现的，其结构类型分为单扭杆作用和双扭杆作用，双扭杆翻转机构又分为扭杆力可调节和不可调节。

文章中的轻卡采用扭杆力可调节双扭杆翻转机构，扭杆输出力矩大小可通过调节螺栓来调整，从而使驾驶室翻转举升力在保持在合适范围内，大大提升了驾驶室举升轻便性。而扭杆对调节螺栓（螺母）的反作用力主要是依靠调节螺栓（螺母）的螺纹克服，螺纹的抗挤压校核计算成为必要，在设计过程中通过对扭杆力调节螺栓（螺母）强度进行校核计算，考察设计阶段调节臂的结构和螺栓选取是否合理，为后续设计优化工作提供参考。

1 双扭杆可调机构的工作原理及受力分析

图1中，右扭杆8一端插入右调节臂6内花键中，为固定端，另一端穿过左支架2与扭杆臂5花键连接，同理，左扭杆7一端插入左调节臂9内花键中，为固定端，另一端穿过右支架3与扭杆臂5花键连接，滚轮4与驾驶室地板纵梁连接。驾驶室在锁紧情况下处于水平位置，此时驾驶室通过滚轮4作用于扭杆臂5上的力就会使扭杆产生扭转，且此时扭转的角度最大，扭杆产生的扭力矩也最大，当锁止解除后，扭杆的扭力矩作用于滚轮，克服驾驶室重力矩，并施加较小的向上推力可使驾驶室实现翻转。当驾驶室翻转到最大角度时，扭杆的能量基本释放完毕，驾驶室翻转速度逐渐减小，轻轻上推驾驶室，依靠驾驶室支撑杆1将驾驶室锁在最大翻转角的位置。当放下驾驶室时，驾驶室利用自身的重力下落，其重力矩逐渐增大，滚轮对扭杆作用使其扭转角增大，则扭力矩也增大，克服重力矩，使驾驶室的回落速度逐渐减小，向下拉动驾驶室即可使其锁住。在驾驶室装配之前，调节螺栓11长度可改变扭杆7工作角度，即改变扭杆7最大输出力矩，从而使驾驶室翻转举升力在保持在合适范围内，大大提升了驾驶室举升轻便性。

图1 某轻卡翻转双扭杆可调机构结构简图

图2中，在驾驶室锁止状态，左扭杆7与左调节臂9内花键啮合，对调节螺栓11（螺母10）产生反作用力F，主要是依靠调节螺栓11（螺母10）的螺纹来克服，力臂为L。

图2 调节螺栓受力分析示意图

2 校核计算

螺栓与螺母之间通过螺纹相互施加作用力，把螺纹牙展直后相当于一根悬臂梁，如图3所示。通常螺母的材料强度低于螺栓，在校核螺纹强度时以螺母为考察对象。

图3 螺母螺纹展开示意图

2.1 螺纹抗挤压校核

抗挤压是指公、母螺纹牙之间的挤压应力不应超过许用挤压应力，否则便会产生挤压破坏。设轴向力为 F，相旋合螺纹圈数为z，则验算计算式为：

其中：

σp：挤压应力，单位MPa；

[σp]：许用挤压应力，单位MPa；

F：轴向力，单位N；

d2：外螺纹中径，单位mm；

z：螺纹圈数；

h：螺纹工作高度，单位mm；

p：为螺距，单位mm，h与p的关系为：

梯形螺纹：h=0.5p

矩形螺纹：h=0.5p

锯齿螺纹：h=0.75p

查阅图纸得扭杆的扭矩为 1537N·m，扭杆臂有效长度为L=60mm；该扭杆调节螺栓/螺母为Q151B1450TF61/Q341 B14，查阅标准件手册得知d2=13.026mm，p=1.5mm，z=6。

σp=F/πd2hz=（1537/0.06）/（π*0.013026*0.541*0.0015*6）

=25616.67/（π*0.013026*0.541*0.0015*6）

=128.56（MPa）

螺纹的许用挤压应力[σp]=σs/Sp=333.3（MPa）＞128.56（MPa）

其中：

σs：螺母的材料屈服极限，单位 MPa，查阅资料取500MPa；

Sp：安全系数，查阅资料，控制预紧力时取1.5。

综上，螺纹受挤压应力在许用范围内。

2.2 螺纹抗剪切强度校核

螺纹受剪切强度计算公式为：

其中：

τ：剪切应力，单位MPa；

[τ]：许用剪切应力，单位MPa

F：轴向力，单位N；

D：螺纹大径，单位mm；

z：螺纹圈数；

b：螺纹牙底宽度，单位mm，b与p的关系为：梯形螺纹：b=0.634p；

矩形螺纹：b=0.5p；

锯齿螺纹：b=0.736p：

普通螺纹：b=0.75p。

对于钢质材料，一般可以取[τ]=0.6[σ]，[σ]为材料的许用拉应力，[σ]= σs/Sτ，单位MPa，其中σs为屈服应力，单位MPa，Sτ为安全系数，查阅资料，控制预紧力时取1.5。

扭杆力调节螺栓配合螺栓大径D=14mm，则：

τ=25616.67/（π*0.014*0.75*0.0015*6）=86.29（MPa）

[τ]=0.6*500/1.5=200（MPa）＞86.29（MPa）

综上，螺纹受剪切应力在许用范围内。

2.3 螺纹抗弯曲强度校核

螺纹受弯曲强度计算公式为：

其中：

σb：挤压应力，单位MPa；

[σb]：许用挤压应力，单位MPa；

F：轴向力，单位N；

D：螺纹大径，单位mm；

h：螺纹工作高度，单位mm；

z：螺纹圈数；

b：螺纹牙底宽度，单位mm，b与p的关系为：梯形螺纹：b=0.634p；

矩形螺纹：b=0.5p；

锯齿螺纹：b=0.736p：

普通螺纹：b=0.75p。

对于钢质材料，一般可以取[σb]=1.2[σ]，[σ]为材料的许用拉应力，[σ]= σs/Sb，单位MPa，其中σs为屈服应力，单位MPa，Sb为安全系数，查阅资料，控制预紧力时取1.5。

将参数带入公式：

σb=（3*25616.67*0.541*0.0015）/[π*0.014*（0.75*0.0015）2*6]

=186.72（MPa）

许用弯曲应力[σb]=1.2[σ]=1.2σs/Sb=1.2*500/1.5=400（MPa）＞186.72（MPa）综上，螺纹受弯曲应力在许用范围内。

3 结论

经过理论校核计算，某轻卡双扭杆机构扭杆力调节螺栓（螺母）强度：螺纹抗挤压强度 128.56MPa，抗剪切强度86.29MPa，抗弯曲强度186.72MPa，均在许用范围内，且安全系数均在2以上，满足强度要求。