驱动桥差速器壳联接螺栓失效分析和改进

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Driving axle differential mechanism bolt design improvementYANG Gang(Hunan ZoomlionAxle Limited Company，Jingshi 415400，China)Abstract：As the example offailure analysis ofthe bolts，force to bolt and the fatigue strength were analyzed to findout the.failure reason an d improvement.W hile the bolt was designed under alternating load，the stress am plitudefatiguelifemustbe calculated。

Key words：axle；the diferential housing；bolt；fatigu e break-down螺纹连接由于其便利的可装拆性和广泛的互换性，在机械和结构中得到了广泛的应用.在螺纹连接的设计中，由于设计不当带来的质量问题也很多.据统计，美国空间实验计划中，螺纹联接失效有24%是由于设计不当而造成的.本文以湖南中联车桥有限公司某型驱动桥差速器壳体联接螺栓失效为例，探讨螺纹联接的设计方法。

该公司某型驱动桥在投放市丑出现了差速器壳体联接螺栓失效的故障，通过对故障件的分析，发现其螺栓在交变载荷的作用下，在螺栓头部和第-圈螺纹牙处发生断裂，属于典型的高周疲劳破坏。

对差速器壳体联接螺栓的受力分析可知，螺栓承受的载 ，荷主要由2部分组成：-是由螺栓鹏而产生的预紧负荷 ； ： ，二是被联接件在工作时承受的工作负荷 . ， 。 ～ 士- - 缓1 螺栓的工作载荷分析 、 ≤差速器壳体联接螺栓的承受的工作载荷见图 1，其中 0 、及 分别为差速器内行星轮系对左右壳体的轴向力， 为在 ，， ㈠ P -驱动桥工作时，使差速器作用壳体分离的弯矩，即螺栓的工 lJ ～/ ∥作载荷由 、 决定.行星轮系的轴向力可视为均匀作用在 、 · 联接螺栓组上，即： √QFzFAn， (1)通讯作者 email：yangdenver###163.tom.收稿日期：2013-03-1 1图 1 差速器壳体受力分析第2期 杨 刚：驱动桥差速器壳联接螺栓失效分析和改进 71式中： 为行星轮系啮合对螺栓产生的轴向力， 为联接螺栓数 目.弯矩 使左右差速器壳产生分离趋势，使螺栓组承受的轴向载荷随差速器旋转承非对称的波动负荷.按文献[2，在 My的作用下，根据结合 。1 面保持平面的假设条件，螺栓的变形量与螺栓中心到 /，点的距离成正比(图 2)，即： 化 常数.同时，根 。 . 0据力的平衡条件，有： l ， /I- 1 . . 、 /F1L1F2L2J 厶 . (2) 。 - 。 -百 A A式中： 为在开口力矩 作用下 号螺栓产生的轴向 图2 受 作用的螺栓组协调变形力，厶为 号螺栓至 点的距离.可以推出，在距离 点最远的螺栓承受的最大载荷为： 。

三- / ， (3)百 式中： 双为在开口力矩 作用下，螺栓的最大轴向力.在代入驱动桥的参数后可以计算(计算过程略)得出 58 942 N， 3 050 N·m.联接螺栓组参数：螺栓数目8，螺栓规格M12x1.5，螺栓分布直径：143 mm，鹏力矩 100"--"120 N·1TI，壳体结合面直径162 mlr1.将上述参数代入式(1)～(3)，可以计算得出，在差速器壳体联接螺栓组上，螺栓承受的最大工作载荷为： m FJnFx 14 750 N.根据由螺栓鹏力矩产生的预紧负荷：Qp T/(kx 45 833 N. (4)。

式中：d为螺栓的公称直径；k为扭矩系数，按文献1，-般取七0.18～0.21。

2 螺栓的疲劳强度分析及计算由文献[4]，作用在螺栓上的总拉力：Q QgCL](CLCF) Qp Qg， (5)式中：CL为螺栓的刚度，CF为被联接件的刚度.按文献[2]中的相关公式，可以求得(计算方法及过程略)螺纹联接的相对刚度 ：Cd(CLCF)0.37.由式(5)可知，螺栓上作用的总拉力：!)max Qg mCd(CLcF) Qp Qg m ， (6)QminQ口. (7)根据文献[4]，经过预紧的螺栓，平均应力对螺栓的疲劳强度无影响，只有应力幅决定着螺栓的疲劳强度.螺栓的应力幅：O'a(O'max0-mi )/22(Qmax-Qmi )/(兀 )21 ax c ). (8)式中：cra为螺栓的应力幅，O'max为螺栓最大应力， i 为螺栓最小应力.经计算，本例中的螺纹连接在工作时的应力幅 28.96 MPa.根据文献2]，螺纹的极限应力幅为：O'a lim /Kf. (9)为工艺强化系数，采用滚压螺纹 1.25；Ka为结构强化系数，采用标准螺栓联接 1；Kf为缺121敏感系数，机械性能为 10.9级；螺栓选用Kf5.2；s为尺寸系数、公差直径 12 mil，取 s1；a- 为光滑试件在对称循环下的拉压疲劳极限3J，本例螺栓材料为40 Cr，取 a- 240 Mpa.综上所述，oaIim57.69MPa，应力幅安全系数 O'alim/ 1.99.根据文献[2]，许用安全系数为：[ [ l× a2.式中[ l为考虑螺栓上作用力计算误差的安全系数，取[ 11.5；[ a2为考虑螺栓应力幅计算误差的安全系数，应根据可靠度选择，此处设计可靠度按 95%选择，取值为 1.48。

综上所述，[ 2.22.由此判断，在本例中驱动桥差速器壳联接螺栓失效的原因主要为应力幅偏大，螺栓的疲劳强度不能够满足设计要求。

3 改进措施及效果针对失效原因，在设计上采取了相应的对策降低联接螺栓的应力幅，(下转第87页)第2期 韩伟中，等：乳胶自动输送系统的设计 875 结语系统采用 PLC控制，对企业自动化生产具有重要意义.系统安装运行 3年，性能稳定，操作简便，维修量少，更重要的是降低了人力劳动强度，规范了现场管理，设计的系统获得了客户的好评。