重卡变速器中大扭矩定扭反力问题的研究和应用

于明

重卡变速器中大扭矩定扭反力问题的研究和应用

于明

（陕西法士特齿轮有限公司汽车传动工程研究院，陕西 西安 710077）

文章通过对法兰盘凸缘螺母处机械结构进行分析，对电动定扭设备拧紧原理进行深入研究，对法兰盘凸缘螺母在定扭拧紧时的受力情况建立力学模型，得到了重型商用车变速器法兰盘定扭拧紧时的受力情况，从而给出最为经济和稳定的抗反方案，为以后法兰盘定扭推广打下了理论基础，并给出了法兰盘凸缘螺母定扭拧紧时的反力装置模型，简化了法兰盘定扭拧紧的反力装置结构，并降低了法兰盘定扭方案的难度和成本。

法兰盘凸缘螺母；受力分析；力学模型；反力装置

1 背景

螺栓连接在机械装配领域是一种最为普遍的连接方式，因为其应用简单，拧紧可靠，成本低、可重复利用而被广泛应用。重卡变速器输出法兰是用凸缘螺母将法兰盘和输出主轴进行连接，而从将扭矩输出的，如果凸缘螺母未拧紧松动会导致较为严重的质量事故，故此处的凸缘螺母的防送非常重要，此处螺栓除了采用尼龙防送外，最主要的防送方式还是足够的夹紧力，为了保证夹紧力，本公司引进了电动定扭设备，然而由于此处拧紧力矩较大，故抗反防转就成了整个问题的关键。

本文就是通过对变速器输出法兰盘凸缘螺母处的结构进行分析，通过对电动定扭设备进行深入研究，建立定扭拧紧时的力学模型，从而揭示法兰盘凸缘螺母定扭拧紧时反力情况的本质，从而对生产中定扭方案进行指导，建立最简化的康反防转机械模型，为以后大扭矩定扭设备的推广做好理论储备。

2 法兰盘凸缘螺母的结构分析及力学建模

2.1 法兰盘凸缘螺母处结构图

变速器输出法兰盘和副箱输出轴是花键连接，通过凸缘螺母和输出轴轴端螺纹连接将法兰盘锁紧。然而，输出轴在螺母拧紧时处于旋转方向自由状态，输出轴带动法兰盘转动，故如果不能限制输出轴即输出法兰盘随螺母拧紧时转动而转动，那么螺母很难拧紧，且大扭矩拧紧必须有反力装置谢力，才不至于在拧紧操作过程中对操作人员产生伤害。

图1 法兰盘凸缘螺母处机构图

在没有实现定扭拧紧之前，法兰盘拧紧使用冲击扳手拧紧，需要不断的停顿，多次拧紧才能达到拧紧的效果，而如果使用定扭工具，则没有办法规避拧紧时法兰盘的转动问题和随之产生的反力。

2.2 拧紧时的力学建模及受力分析

定扭工具内部结构相当复杂，在此不做叙述，根据对国际一流大扭矩定扭拧紧设备进行研究分析，定扭拧紧设备可以简单的分为减速装置、拧紧装置、控制装置，有的厂家将减速装置内置与枪体内，从内部看是一体的，而简单的将枪体我们可以看到拧紧枪体有固定部分和旋转部分，且两部分由内部特殊结构相连接组成。

图2 力学模型

如图2所示，在定扭拧紧过程中，拧紧设备旋转部分产生拧紧力矩N1，旋转部分通过四方和套筒固连，而套筒抓紧凸缘螺母的外六方，于此同时也和旋转部分固连于一体。此时枪体的拧紧部分+套筒+凸缘螺母固化为一体，为转动部分，力矩为N2。而系统的另一端，输出主轴通过花键连接与法兰盘成为一体，与枪体固定部分，与通过花键连接的反力装置，通过销轴和法兰盘的孔连接联动，故此时枪体固定部分+法兰盘+输出主轴固化为一体，为静止部分，此部分的产生反力距N3。此过程将反作用力转化为反力装置上的销轴的剪切力，将反力抵消在设备内部，最终起到了防转抗反作用，理论计算如下。

经过分析可知：

N= N=- N（1）

故可以根据力矩：

（2）

F=N/M （3）

其中：N-转动力矩；

F-力；

M-法兰盘连接孔的分布圆半径。

求出销子所需要承受的剪切力，再根据工程力学分析可求出销子的直径，给出足够的安全余量，既可以通过简易的机械结构，消除大扭矩定扭产生的反力。

3 反力装置力学模型的建立

3.1 文章背景

近年来我公司着力于整体提高产品质量，公司全面推进定扭拧紧工具的推广，而法兰盘凸缘螺母拧紧工位是渗漏油问题、轴承质量控制、外连接部位的关键工位，故此处定扭拧紧技术的推广显得尤为重要。

根据前期的工作可知，我公司的法兰盘凸缘螺母工位基本上已经全部实现定扭技术，但是在推广的过程中我们发现在我们选择任何一种定扭拧紧产品时，我们遇到的问题就是反力装置如何设计，考虑到这一点悬挂或者支持装置就会及其庞大和复杂。

图3 转机式反力装置

如图3为我公司某条装配线上的法兰盘凸缘螺母的专用定扭拧紧机，选取国际一流品牌的拧紧轴，然而整个设备占地面积大，结构复杂，机壳内每一个结构都可能成为设备的维修的风险点，而且设备整体价格昂贵。

图4、5 立柱式法兰盘工位定扭拧紧设备

如图4为我公司某条装配线上的法兰盘凸缘螺母的设备，选取某国际一流品牌的拧紧轴。整个设备采用立柱式机械臂来抓取定扭拧紧轴枪体从而来反抗拧紧过程中所产生的反力，设备占地面积大，需要回转的空间大，结构复杂，这个设备设计气动控制和电控，故障点多。图5为反力装置负责，庞大，使用不便。

3.2 反力装置模型

根据文章2.2所述的力学模型分析，我们可知系统定扭拧紧时产生的反力已经通过简单的反力装置根据定扭枪体的旋转部分和固定部分运动相对独立的原理抵消于系统内部，故图2的这个系统只要采取简单的吊装悬挂机构进行吊装，就可以达到抗反力的作用。

图6 反力装置模型

根据力学分析可知，我们在法兰盘凸缘螺母拧紧过程中，基本的反力装置模型如图所示，在以后的定扭拧紧方案设计中，只要根据实际情况，选取合适的定扭拧紧工具，通过设计销轴的尺寸来适应大扭矩定扭过程中产生的反力，便可以自行设计合理的反力装置达到定扭控制的作用，节省成本，降低了拧紧设备的负责程度，规避了不必要的风险点。

3 小结

随着市场对产品质量的要求不断提升，制造业中装配质量得要求急速提升，为了在引进先进定扭技术时不至于进行不必要的投入，需要对定扭设备的拧紧及相关原理进行深入研究，本文通过对法兰盘凸缘螺母处的结构进行分析，建立了法兰盘凸缘螺母定扭拧紧时的力学模型，通过分析我们了解到了在定扭过程中的力学本质，搞清楚了反力产生的原因。借此，可以了解法兰盘凸缘螺母拧紧过程中的反力装置起到的力学作用，最后建立简化的反力装置模型，为以后公司在法兰盘定扭方案的制定上提供了理论基础。

[1] 刘力厚,潘颖,曹丽杰.理论力学[M].北京:清华大学出版社.2016.

[2] 成大先.机械设计手册.润滑与密封[M].北京:化学工业出版社. 2004.

The Application Research on the Counter-Force of Fixed Torque about Heavy Truck Transmission

Yu Ming

( Fast Auto Drive Engineering Research Institute, Shaanxi Xi'an 710077 )

The article shows the most economical and stable anti-Counter-Force solution on the basis of analysis about the flange mechanism, the study of fixed equipment and building the force modle. then, the paper shows the ant- Counter- Force solution modle which solution can reduces the cost and mechanism.

Flange nut; Stress analysis; Mechanical model; Counterforce device

U463

A

1671-7988(2019)18-196-03

U463

A

1671-7988(2019)18-196-03

于明（1985-），女，硕士，装配工艺工程师/工程师，就职于陕西法士特齿轮有限公司汽车传动工程研究院，从事变速器装配工艺研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.067