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哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）—資料翻譯
叉車驅(qū)動(dòng)橋鎖緊螺母松動(dòng)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(qū)動(dòng)橋上松動(dòng)的原因。輪軸的結(jié)構(gòu)組件分析顯示在鎖緊螺母的接觸表面的滑移是相當(dāng)大的，尤其是當(dāng)軸承組的預(yù)加載荷缺乏的時(shí)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(jié)構(gòu)分析在滑移距離的結(jié)果相同。鎖緊螺母的松動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)成功進(jìn)行。
關(guān)鍵詞：螺紋松動(dòng);結(jié)構(gòu)分析;軸承預(yù)緊力;滑點(diǎn);實(shí)驗(yàn)?zāi)M。
第1章 介紹
在叉車的傳動(dòng)系統(tǒng)中，扭矩以相對(duì)較低的速度傳遞給驅(qū)動(dòng)橋。因此，一個(gè)直徑相對(duì)較小的軸就可以傳遞所需要的功率。在驅(qū)動(dòng)橋中，該轉(zhuǎn)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(tǒng)包括一個(gè)太陽輪，三個(gè)行星齒輪和一個(gè)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(shí)，齒圈則是一直固定的。這是一個(gè)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(dāng)鎖緊螺母被擰緊時(shí)，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(yù)載荷。
鎖緊螺母的松動(dòng)故障時(shí)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(zhuǎn)。因此，輪軸可能反復(fù)來回滑動(dòng)。如果情況進(jìn)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(cè)翻等的嚴(yán)重事故。
許多研究人員對(duì)松動(dòng)的螺栓現(xiàn)象進(jìn)行了研究。派和海斯發(fā)現(xiàn)螺栓松動(dòng)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(jìn)行了一項(xiàng)螺栓搭接接頭通過反復(fù)施加剪切載荷而引起的緊固板之間的滑動(dòng)的螺栓松動(dòng)測(cè)試。巴特查亞，森和達(dá)斯通過施加垂直于螺栓軸線的螺紋緊固件的振動(dòng)來測(cè)試的防松能力。
在本文中，鎖緊螺母松動(dòng)的原因，采用了驅(qū)動(dòng)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(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M等多種研究方法。 第2章 失效分析與仿真
2.1.猜想與結(jié)構(gòu)分析
鎖緊螺母的頂面原來是一個(gè)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(gè)徑向厚度的區(qū)域重疊的行星架的表面。鎖緊螺母顯現(xiàn)仿佛它正在因?yàn)檫^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(jié)構(gòu)分析模塊。
圖1(a) 圖1(b)
無關(guān)的問題的某些部分已從研究中剔除。在圖2的結(jié)構(gòu)分析中，只有六個(gè)部分為藍(lán)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(fù)荷是通過輪轂殼體傳遞到輪軸，再?gòu)妮嗇S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(yù)加載可以是有界限的，可用預(yù)先設(shè)定的電平加以限制。因?yàn)樗穷A(yù)載荷在失效中發(fā)揮重要作用，所以軸承被更詳細(xì)地分為由三個(gè)獨(dú)立的部分：即內(nèi)圈，滾子和外圈。因此，8個(gè)接觸體相連，如表1所示。多種類型的連接可在CATIA結(jié)構(gòu)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(gè)問題上的所有連接都基本上彼此相關(guān)，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(dòng)或分離則不太會(huì)發(fā)生。這并不會(huì)影響該方案，但允許更容易和更簡(jiǎn)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(duì)稱性時(shí)，組件沿垂直對(duì)稱平面切割，則只有一半需要建模。線性四面體單元網(wǎng)格是在生產(chǎn)是設(shè)定全球網(wǎng)目尺寸為5毫米。關(guān)鍵部件，如軸承，鎖緊螺母，其接觸表面，本地網(wǎng)孔尺寸被設(shè)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(zhuǎn)動(dòng)輪軸所需要的扭矩增大到一定程度。鎖緊螺母被擰緊到預(yù)定扭矩T，在承載面的摩擦被認(rèn)為以及在螺紋上的摩擦。鎖緊螺母的緊固力Q選自計(jì)算式(1)和表2中公式：
T = Q dm tan(λ+ρ) /2+fQRm
輪負(fù)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(shí)，則負(fù)載的中心會(huì)偏離輪軸74毫米，如圖(3)所示。
因?yàn)檩嗀?fù)荷的幅度和荷載作用點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致輪軸承受更多的彎矩。由于輪殼體已被移除，則負(fù)載在中心的空點(diǎn)處施加。類似于剛性連接虛部，在CATIA結(jié)構(gòu)分析用于負(fù)載的中心連接至輪軸。
作為所述隔離物，對(duì)軸承的預(yù)載荷取決于墊片與內(nèi)圈之間的間隙。本研究對(duì)初始間隙1.0毫米和無間隙這兩個(gè)典型的案例進(jìn)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(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，這兩種軸承都很好地將擰緊力施加在預(yù)裝的鎖緊螺母上。如圖4(a)所示。
接著，由于雙輪胎被施加負(fù)荷，左軸承的上部有最嚴(yán)重的壓縮而右軸承的下部則沒有這么嚴(yán)重的壓縮，如圖4(b)所示。施加在鎖緊螺母的接觸應(yīng)力為大致小于1MPa，這個(gè)應(yīng)力尚不能引起屈服。被壓縮的環(huán)形表面無法通過簡(jiǎn)單的壓縮接觸壓力來形成。據(jù)發(fā)現(xiàn)，即使當(dāng)車輪的軸是由預(yù)加載的軸承支撐，也是在相對(duì)于所述承載殼平面稍微轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是在平面外。行星架面鎖緊螺母的滑動(dòng)，如4(c)所示。
第二，人們認(rèn)為墊片和內(nèi)圈之間沒有初始間隙。結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，這兩種軸承都不能預(yù)加載，僅內(nèi)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(fù)荷，左軸承的上部有最嚴(yán)重的壓縮，同時(shí)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(yīng)力也大致小于1 MPa以下，該應(yīng)力也太小，無法引起屈服。由于輪軸由??未預(yù)加載的軸承來支承，它在相對(duì)載波殼體平面中嚴(yán)重地轉(zhuǎn)動(dòng)。鎖緊螺母在載體面滑動(dòng)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(guān)的松動(dòng)。松動(dòng)的過程與圖 6所示情形非常相似，是一種松動(dòng)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(shù)字顯微鏡進(jìn)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(jì)量進(jìn)行測(cè)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(duì)圓形劃痕形成過程進(jìn)行了研究，如圖8所示。
圖8
其中一幀是像是一個(gè)靜止觀察者，而另一個(gè)是一個(gè)帶有鎖緊螺母的旋轉(zhuǎn)框架，像是觀察者在旋轉(zhuǎn)的鎖緊螺母上的視角。
鎖緊螺母旋轉(zhuǎn)的輪軸通過向下滑動(dòng)來固定框架，而圓形劃痕則在鎖緊螺母表面慢慢形成。從結(jié)構(gòu)分析結(jié)果來看，當(dāng)軸承不預(yù)裝是滑動(dòng)距離最大達(dá)到0.44毫米，滑動(dòng)距離與到圓形劃痕的半徑一致。
即使預(yù)裝軸承市，滑移也會(huì)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(huì)被磨掉。此時(shí)緊固力很快就會(huì)下降，這種情況會(huì)導(dǎo)致類似于以前的結(jié)果。
2.3.實(shí)驗(yàn)?zāi)M
鎖緊螺母在測(cè)試表上進(jìn)行了松動(dòng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M。
圖9
如該圖9所示，在輪軸前端的輪轂凸緣是由一個(gè)液壓致動(dòng)器的模擬輪在向上提拉。同時(shí)，輪軸的后端部被連接到一個(gè)電動(dòng)機(jī)的模擬驅(qū)動(dòng)載體上。法蘭殼體則用一個(gè)垂直厚板夾緊在桌子上。電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為150rpm，負(fù)荷設(shè)定為34kN。因?yàn)樵谳嗇S端部的垂直位移開始增加，這表明鎖定螺母被擰松，實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(kuò)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(gè)獨(dú)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(xiàn)場(chǎng)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(dá)到0.5mm左右。
圖10
圖11
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結(jié)論
鎖緊螺母的接觸面由過大的接觸壓力首先出現(xiàn)崩塌。然而，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，該應(yīng)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(dāng)大的。當(dāng)沒有預(yù)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(chǎn)生了相當(dāng)數(shù)量的圓形劃痕。由于鎖螺母的旋轉(zhuǎn)，垂直滑移也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的圓形劃痕。圓形劃痕的半徑對(duì)應(yīng)相應(yīng)的垂直滑動(dòng)。
對(duì)鎖緊螺母的失效進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M，當(dāng)加載點(diǎn)的位移開始增加時(shí)，模擬即被停止。圓形劃痕在模擬實(shí)驗(yàn)中成功形成?？梢缘贸鼋Y(jié)論，鎖緊螺母因?yàn)槠浔砻娴幕贫凰砷_，表面的失效磨損則加速了松動(dòng)。