商用车前桥制动器紧固结构优化分析
摘要：首先理论分析紧固件在制动力（力矩）作用下承受的剪切载荷与其许用剪切载荷的匹配性；然后计算分析被联结件松动所需的轴向力与紧固件拧紧产生的轴向预紧力的匹配性；通过计算紧固件的剪切载荷、预紧力的安全系数，评估制动器底板螺栓连接的可靠性。
关键词：制动器紧固结构优化分析剪切载荷预紧力
经统计，一辆中重型商用汽车的单车紧固件品种数高达550种，总数量约7100件，占到汽车零部件数量的35%。汽车行业30%的维修问题也是由紧固件松脱引起的。因此，优化并减少关键部位使用的紧固件数量及结构，成为降低车辆维修的主要手段。
随着我国技术进步和制造能力的不断提升，组合集成零部件越来越被应用。因此，既经济又可靠的联结方式成为研发工程师迫切要研究的课题。
譬如，传统的153型前桥总成制动器的两件底板螺栓采用紧固螺栓结构，该紧固螺栓联结制动器、转向节、转向梯形臂后使用螺母锁死，如图1所示。随着转向节集成转向梯形臂组合产品的研发应用，如图2所示，如何可靠的固定制动器成为车桥生产企业要解决的问题。
2计算作用在螺纹联结系统上的载荷
通过系统产生的载荷，分解成连接件的剪切载荷和拉伸载荷。正常工作状态联2计算作用在螺纹联结系统上的载荷
通过系统产生的载荷，分解成连接件的剪切载荷和拉伸载荷。正常工作状态联结件需满足拉伸载荷为零，此处不做研究。系统载荷和剪切载荷的等效关系如图3。
其大小分别为：
式中：——系统（或总成）载荷；
——联结件的剪切载荷；
——联结件的数量；
——联结件中心相对系统轴心的半径。
3故障模式分析
3.1联结件剪断破坏
为防止系统承受最大载荷时，因联结件剪切破坏而导致被联结件分离。需满足作用在联结件上剪切应力小于螺栓本身固有许用剪切应力。
从螺纹联结结构可以发现，联结件受剪切面位于螺纹区域，根据联结件承受的剪切载荷以及剪切面的横截面积可以计算联结件的杆部应力。存在以下关系：
式中：——联结件最大剪应力；
判断可靠性条件：
当时，联结件可靠。
3.2滑动（或松动）破坏
只要轴向预紧力不引起被联结件的滑动，滑动或松动就可以预防。
3.2.1非旋转松动量计算
联结件与被联结件从开始接触到紧固结束这一过程，联结的总弹性变形量为紧固件拉伸量与被联结件压缩量的和，理论上讲在弹性区域内联结件轴向预紧力与弹性变形量比值为常数。另外，因外界条件（磨损、拉伸、嵌入、内陷等）的影响，轴向预紧力还会有所降低，且存在以下比例关系：
式中：——非旋转松动量；
——松弛系数；
——嵌入或内嵌量；
——联结件弹簧常数；
——被联结件弹簧常数；
对于车削件嵌入或内嵌量为被连接件接触面的1/3。
对于联结件、被联结件弹簧常数，与产品材料的弹性模量、长度和截面积有关，装配及关系如下：
式中：——联结件材料弹性模量；
——被联结件材料弹性模量；
——公称直径；
——联结件支撑面外径；
——被联结件螺栓孔直径；
——联结件头部尺寸，一般取0.6d；
——联结件光杆尺寸；
——联结件到螺母端尺寸；
——被联结件螺纹尺寸，一般取0.7d；
——被联结件厚度尺寸。
3.2.2滑动所需轴向预紧力
若初始松动后的残余轴向预紧力产生的接触面摩擦力大于滑动力，被联结件将不会滑移。即满足以下条件联结件就不会松动：
式中：——滑移（松动）所需最小轴向预紧力；
——被连接件接触面摩擦系数；
3.2.3拧紧产生的轴向预紧力
轴向预紧力与其拧紧力矩、摩擦系数及规格强相关，满足以下条件：
式中：——紧固件拧紧力矩；
——拧紧力矩系数；
——轴向预紧力。
4新平台前桥制动器底板螺栓设计校验
某153新平台前桥，客户要求新设计转型节集成左右臂，一体锻打成型，导致底板螺栓结构发生变化。
主要技术参数如下表1。
底板螺栓摩擦系数；联结件接触面摩擦系数。
通过公式（1）、（2）计算底板螺栓的最大剪切载荷及剪切力：
最大剪切力小于螺栓许用剪应力，所以螺栓不会被剪断。
根据公式（4）、（5）求得被联结件及连接螺栓的弹簧常数：
通过公式（3）计算非旋转松动量：
即滑移（松动）所需最小轴向预紧力可由公式（6）求得：
由公式（7）求得轴向预紧力之和，按螺栓拧紧力矩下限计算，其结果为：
所以，在制动器最大制动力情况下，制动器底板螺栓不会出现非旋转松动导致的剪切失效。
综上所述，结合产品设计边界所允许的几何设计尺寸和初选螺栓性能等级，通过计算底板螺栓在剪切载荷和预紧载荷条件下的最大受力值，可以定量分析以防止紧固螺栓受剪破坏和滑移（或松动）失效。
本项目能得以成功实施，非常感谢公司外聘专家老师们给予的悉心指导，从多维度对螺纹连接可靠性设计、测试、评价进行了清晰的讲解；通过实际工程技术项目的结构设计上升到理论支持，使产品一次性通过了零部件台架和整机的路试测试，保证了1