驱动轴紧固控制方法研究

徐亮，李昆

(北汽蓝谷麦格纳汽车有限公司生产技术部，江苏镇江 212000)

0 引言

驱动轴是汽车底盘动力系统中的关键零件，它连接差速器与驱动轮，并将发动机输出的扭矩传递给车轮驱动车辆运动[1]。驱动轴外球笼与制动器轮毂通过柄部花键配合传递扭矩，并通过锁紧螺母防止驱动轴与轮毂之间松脱，如图1所示。在拧紧驱动轴锁紧螺母的同时，伴随着驱动轴花键拉拔，花键的配合关系影响驱动轴锁紧螺母的拧紧状态。

图1 驱动轴装配

某些车型在车辆启动后，挂挡前进及紧急制动的瞬间，轮毂附近有清脆异响，严重影响整车的NVH性能[2-5]。针对这一问题，李海亮等[6]对该车型故障原因排查分析，并通过调整驱动轴花键螺旋角以及增加减摩涂层的方法，解决了轮毂异响问题；王庚川等[7]通过增加花键齿厚及花键螺旋角，消除了轮毂异响。但增加花键螺旋角，会加大花键配合的过盈量，给驱动轴装配造成困难，这在之前的研究中未被关注。本文作者在排除零部件质量问题后，通过分析某车型驱动轴拧紧滑牙问题，对驱动轴柄部螺纹拧紧扭矩及应力进行分析与校核，并分析了花键配合对滑牙故障的影响。通过增加拧紧机转角监控以及驱动轴拉拔工装，有效减少拧紧驱动轴锁紧螺母时出现的滑牙故障，为提高汽车驱动轴装配质量提供了一个可行的方法。

1 分析与讨论

1.1 驱动轴柄部螺纹拧紧扭矩分析

拧紧驱动轴锁紧螺母时，拧紧扭矩T与克服螺纹副相对转动的阻力矩T1以及螺母支撑面上的摩擦阻力矩T2平衡[8]，即有：

(1)

其中：

(2)

(3)

式(1)中：F为预紧力，N；d2为螺母的螺纹中径，mm；ψ为螺纹升角，(°)；ρv为当量摩擦角，(°)；f2为螺母与轮毂支撑面间的摩擦因数；D0、d0分别为螺母环形端面与轮毂接触面的外径、内径，mm。式(2)中：n为螺纹的螺旋线数；P为螺距，mm。式(3)中：f1为螺纹副间的摩擦因数；β为牙侧角，(°)。

拧紧扭矩与预紧力关系有：

T=KdF

(4)

式(4)中：K为拧紧扭矩系数；d为公称直径，mm。

由式(1)及式(4)得：

(5)

当螺母与轮毂接触面以及螺纹副表面状态发生变化时，会导致摩擦因数发生波动。从式(5)中可以看出，拧紧扭矩系数K会随着摩擦因数f1、f2的变化而变化。因而在相同的拧紧扭矩T的作用下，因摩擦因数f1、f2的不同得到的螺纹轴向预紧力F也会不同。

1.2 驱动轴柄部螺纹拧紧应力分析

在拧紧驱动轴柄部的过程中，它受到的拉应力σ与预紧力F的关系为

(6)

同时，在螺纹摩擦力T1的作用下，驱动轴柄部受扭，产生扭转应力τT：

(7)

驱动轴柄部(视为螺栓)为塑性材料 ，按照第四强度理论得到其螺纹当量应力σca：

(8)

驱动轴柄部螺纹危险剖面(螺纹小径)的抗拉强度条件为

σca≤[σ]

(9)

1.3 设计校核

以某款汽车为例，计算其驱动轴柄部花键螺纹的当量应力。该车型的花键螺纹规格是24×1.5g，T=230 N·m，d=24 mm，d1=22.376 mm，d2=23.026 mm，n=1，P=1.5 mm，β=30°，f1=0.13，f2=0.13，D0=43.8 mm，d0=30.6 mm。

经计算得到ψ=1.189°，ρv=5.278°,K=0.226，F=42 320 N，σ=107.674 MPa，τT=53.425 MPa，σca=177.48 MPa。

驱动轴选用材料CF53，柄部螺纹屈服强度σs约为510 MPa，许用应力[σ]=340 MPa。σca<[σ]，该车型驱动轴与轮毂紧固扭矩的设定值符合许用应力要求。

1.4 花键配合分析

驱动轴外球笼处通过渐开式花键与轮毂配合，影响内外花键松紧度配合的参数主要为跨棒距和螺旋角。汽车启动时，花键间的配合间隙会导致底盘异响，行业内通常采用增加花键螺旋角度来解决这一问题[6-7]。然而随着螺旋角的增加，需在驱动轴柄部施加更大的轴向力才能将驱动轴拉拔到位。由于加工公差的存在，在拧紧驱动轴锁紧螺母时，可能会出现无法将驱动轴拉拔到位的情况，进而导致柄部螺纹达到屈服点出现滑牙现象。对标现代汽车、大众汽车等工厂，均存在类似的问题。

2 措施与验证

2.1 增加扭矩转角监控

目前，单一的目标扭矩控制策略被广泛使用在总装厂，但长期的使用效果证明，这样的拧紧方式存在一定缺陷，并不能十分有效地防止缺陷外溢。在不断的尝试与摸索后发现，使用目标扭矩加转角监控策略可以有效提高螺纹紧固件的装配质量。

本文作者通过SPC统计学方法研究驱动轴紧固点的转角范围。从MES中调取150个转角数据进行分析处理(剔除异常数据)。

将150个转角数据分为30组，如表1所示。表中：Pi(i=1，2，3，4，5)表示列数；SGi(i=1，2，......，30)表示行数；Xi表示SGi行转角平均值；Ri表示SGi行转角极差。

表1 转角数据(°)

转角平均值X：

(10)

转角极差平均值R：

(11)

标准偏差σ：

(12)

转角监控下限L：

L=X+3σ×1.33

(13)

转角监控上限U：

U=X-3σ×1.33

(14)

式中：n=30。根据统计数据，有转角平均值X=82.71°；转角极差平均值R=29.60°；标准偏差σ=12.73°；转角监控下限L=31.94°；转角监控上限U=133.49°。

采用转角监控策略控制从门槛扭矩到目标扭矩阶段螺母旋转的角度，能有效地预警因花键配合过紧导致锁紧螺母拧紧时转角超出正常范围而出现滑牙的故障。采用扭矩加转角控制策略后，统计1 000台汽车驱动轴锁紧螺母拧紧过程，有9台发生滑牙故障，驱动轴滑牙故障率从3%降低至0.9%，滑牙故障率有所改善。

2.2 增加驱动轴拉拔工装

针对驱动轴与轮毂花键配合时，存在安装锁紧螺母过程中无法将驱动轴拉拔到位的现象，设计了驱动轴拉拔工装，如图2所示。

利用拉拔工装保证在安装锁紧螺母前，将驱动轴100%拉拔到位。工艺流程为：(1)在安装锁紧螺母前，安装拉拔头至驱动轴柄部；(2)使用拉拔工装将驱动轴拉拔到位，拆除拉拔头；(3)预拧锁紧螺母至驱动轴柄部3-4牙；(4)操作拧紧

机拧紧锁紧螺母。增加驱动轴拉拔工装后，统计1 000台份，故障发生频次为0。

3 结论

本文作者通过分析某车型驱动轴拧紧时的滑牙问题，对驱动轴柄部螺纹拧紧扭矩及应力进行分析与校核，并分析了它与花键的配合，得到以下结论：

(1)花键配合紧是导致驱动轴拧紧滑牙的主要原因；

(2)通过扭矩转角监控策略可以有效地预警滑牙故障的发生，以便提前采取措施，减少滑牙故障的发生；

(3)通过增加驱动轴拉拔工装，可以避免因花键配合问题导致的驱动轴锁紧螺母拧紧滑牙故障。