基于径向滑移传播理论的新型防松结构设计_彭阳.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n基于径向滑移传播理论的新型防松结构设计彭 阳(博世汽车部件(长沙)有限公司 项目部,湖南 长沙 4 1 0 1 0 0)摘 要:螺栓接头在振动环境下容易发生自松动,并可能引起螺栓疲劳断裂,造成严重后果。明确螺纹的自松机理,在此基础上开发新型防松螺纹结构是十分必要的。径向滑移传播理论为自松动过程提供了新的见解,该理论指出沿螺纹表面径向方向的滑移引起了更多的滑移区域(滑移传播),并且随着振动循环次数的增加,螺纹和轴承表面接触状态的动态演变和传播导致了自松动的发生。因此,基于径向滑移传播理论提出了一种新型的防松结构 阶梯螺纹啮合螺栓接头,该接头可以防止外螺纹和内螺纹在径向上发生相对运动,从而阻止滑移的传播。实验验证了改新型防松结构优异的防松、抗疲劳性能,且安装拆卸方便。关键词:螺栓连接;径向滑移传播理论;防松结构 中图分类号:U 4 6 3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 8-0 0 0 7-0 3D e s i g no fN o v e lA n t i-l o o s e n i n gS t r u c t u r e sB a s e do nT h eR a d i a l S l i p p a g eP r o p a g a t i o nT h e o r yP e n gY a n g(B o s c hA u t o m o t i v eP r o d u c t s(C h a n g s h a)C o.,L t d,H u n a nC h a n g s h a4 1 0 1 0 0)A b s t r a c t:B o l t e d j o i n t sa r ep r o n et os e l f-l o o s e n i n gi nt h ev i b r a t i o ne n v i r o n m e n ta n dm a yc a u s eb o l tf a t i g u ef r a c t u r ew i t hc a t a s t r o p h i cc o n s e q u e n c e s.I t i se s s e n t i a l t oc l a r i f yt h es e l f-l o o s e n i n gm e c h a n i s ma n do nt h i sb a s i st od e v e l o pan o v e la n t i-l o o s e n i n gt h r e a ds t r u c t u r e.T h et h e o r yo fr a d i a ls l i p p a g ep r o p a g a t i o np r o v i d e sn e wi n-s i g h t s i n t o t h ep r o c e s so f s e l f-l o o s e n i n g.T h i s t h e o r yp o i n t so u t t h a t t h e s l i p p a g ea l o n g t h e r a d i a l d i r e c t i o no f t h et h r e a ds u r f a c e i n d u c e sm o r es l i p p a g ea r e a s(s l i p p a g ep r o p a g a t i o n),a n ds e l f-l o o s e n i n go c c u r sd u e t ot h ed y n a m i ce v o l u t i o na n dp r o p a g a t i o no f c o n t a c t s t a t e so nt h e t h r e a da n db e a r i n gs u r f a c e sw i t ha n i n c r e a s e i nt h en u m b e ro fv i b r a t i o nc y c l e s.T h e r e f o r e,an o v e lb o l t e d j o i n tw i t hs t e pt h r e a de n g a g e m e n tw a sd e v e l o p e db a s e do nt h e r a d i a ls l i p p a g ep r o p a g a t i o nt h e o r y,w h i c hc o u l dp r e v e n t t h eo c c u r r e n c eo f r e l a t i v em o t i o no f t h ee x t e r n a l a n di n t e r n a lt h r e a d s i nt h e r a d i a l d i r e c t i o na n d t h u sb l o c ks l i p p a g ep r o p a g a t i o n.E x p e r i m e n t sv a l i d a t e d i t s s u p e r i o r a n t i-l o o s e-n i n ga n da n t i-f a t i g u ep e r f o r m a n c e s,a n dt h ec o n v e n i e n c eo f i n s t a l l a t i o na n dr e m o v a l.K e yw o r d s:B o l t e d j o i n t;R a d i a l s l i p p a g ep r o p a g a t i o nt h e o r y;A n t i-l o o s e n i n gs t r u c t u r e s作者简介:彭阳(1 9 8 3),女,湖南长沙人,本科学历,中级工程师,研究方向机械设计及其自动化。1 引言螺栓连接由于安装和拆卸维修方便,成本低,被广泛应用于连接两个或两个以上分离的部件1。然而,当螺栓连接暴露在外部振动和冲击环境中时,就会发生松动。松动直接导致预紧力下降,诱发螺栓疲劳断裂2,在某些情况下会引发灾难性的安全事故。为了增加机械系统的安全性和可靠性,对松动机理和防松动方法的探索从未停止。1 9 6 9年,J u n k e r3在实验中首次对螺栓连接施加了周期性横向振动(垂直于螺栓轴线),观察到与纵向振动相比横向循环振动会发生大规模持续的自松动。当时发展了完全滑移理论来解释松动过程。2 0 0 2年,P a i等人4建立了螺栓联接的三维有限元模型,模拟了螺栓联接的横向周期性振动,可以清楚地观察到每个振动时刻螺纹和轴承表面的接触状态。他们提出了局部滑移累积理论来解释自松动过程。2 0 2 2年,G o n g5等人提出了径向滑移传播理论为自松动过程提供了新的见解。改理论指出,沿螺纹表面径向方向的滑移引起了更多的滑移区域(滑移传播),并且随着振动循环次数的增加,螺纹和轴承表面接触状态的动态演变和传播导致了自松动的发生。本文首先介绍径向滑移传播理论,然后基于径向传播理论提出了一种新型的阶梯螺纹啮合螺栓接头,该接头可以防止外螺纹和内螺纹在径向上发生相对运动,从而阻止滑移的传播。2 径向滑移传播理论轴承和螺纹表面的滑动运动形成了自松动的基础。为了揭示横向振动下的自松动过程,研究者们提出了两种不同的滑移模式:完全滑移理论和局部滑移累积理论。然而,这两种理论只能用简化的方法解释旋转松动过程,实际的旋转松动过程比较复杂,因此,接触面上的滑移行为及其演化可以进一步通过径向滑移传播理论揭示旋转松动过程。该理论是指导本文新型防松结构设计的重要基础。径向滑移传播理论与完全滑移理论和局部滑移累积理论并不矛盾,它们解释了在不同振幅下的自松动过程。当振幅足够大,在最大横向力位置的螺纹和轴承表面引起完全滑移时,完全滑移理论解释了自松动过程。当振幅在最大横向力位置引起螺纹表面和轴承表面局部滑移时,局部滑移累积理论阐明了自松动过程。然而,基于改进的I w a n模型6和有限元分析发现并不是所有的小滑移都能引发自松动。随着振动循环次数的增加,初始振动周期内恒定粘着面积较小的小滑移也会扩展为局部滑移和完全滑移,最终导致自松动。因此,径向滑移传播理论为研究7DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.08.0172 0 2 3年第8期横向振动下的自松动过程提供了新的思路。如图1(a)所示,对夹紧板施加沿x轴的横向循环振动;轴承和螺纹表面的径向和周向滑移传播如图1(b)所示。当横向力在+x方向上增大并达到最大值时,小螺纹接触区域首先沿螺纹表面径向滑移。已有研究证明,周期性发生的径向滑移导致所储存的能量释放并转化为动力,从而沿螺旋方向(即周向)发生滑移。因此,在随后的振动周期中出现了更多的滑移区域。此外,由于螺纹表面的滑移行为而导致的预紧力下降可能进一步加剧滑移传播。对于轴承表面,螺纹滑移在螺纹和轴承表面之间产生扭矩。该扭矩和横向力诱导轴承表面储存的内能释放,轴承接触面积逐渐扩大,预紧力的减小也加剧了滑动在轴承表面的传播,上述滑移行为定义为“径向滑移传播理论”。从图1(b)可以看出,随着横向振动的进行,螺纹和轴承表面的轻微滑移将通过径向滑移传播发展为局部滑移。(a)(b)图1 径向滑移传播理论示意图:(a)螺栓联接承受循环横向振动;(b)轴承和螺纹表面的滑移传播图2显示了一个螺栓连接的完整自松动过程,在一个完整的振动周期内,受到介质振动的影响,轴承和螺纹表面发生轻微滑移,并具有较小的恒定粘着面积。根据局部滑移累积理论,当由小滑移传播引起的局部滑移发生在轴承和螺纹表面时,将出现小的旋转松动,预紧力降低,为接触界面上的滑移行为提供了正反馈。因此,更多的接触区域将滑动,并且自松动将加速。最后,随着振动周期的不断增大,局部滑移扩展为完全滑移,并发生大规模的自松动。图2 完整自松动过程3 新型防松结构及性能评估3.1 新型防松结构基于径向滑移传播理论,发现抗松动的关键是防止外螺纹和内螺纹在振动作用下发生径向相对运动,从而阻止滑移传播。在本节中,提出一种新颖的外螺纹和内螺纹阶梯式防松结构。阶梯外螺纹和内螺纹之间的啮合轮廓如图3所示。我们可以观察到,在新的螺纹结构中,原有的螺纹面被台阶面分成了两段。阶梯面与原螺纹面夹角定义为阶梯角,阶梯角设计为1 2 0。如图3(a)所示,由于台阶面的存在,外螺纹和内螺纹在径向上的相对滑移难以发生。即使在剧烈振动下出现了初始相对滑移,负反馈抑制了滑移的进一步传播,提高了抗松动能力。这是因为相对滑移引起的台阶外螺纹的上升会导致预紧力和无应力螺纹表面之间接触的增加,如图3(b)所示。(a)(b)图3 新型螺纹结构防松原理(a)台阶面导致相对滑移困难(b)由于无应力螺纹表面的接触,滑移传播被抑制 在这种新型螺纹结构中,合适的阶梯角对于保证优良的防松性能至关重要。当阶梯角为9 0 时,显然阶梯表面在防止外螺纹和内螺纹之间的相对滑动方面比1 2 0 时起着更好的作用。然而,应力集中可能更显著,这增加了螺栓在循环振动下疲劳失效的风险。此外,制造这种阶梯螺纹的过程是复杂的。当阶梯角为1 5 0 时,制造过程变得简单。然而,在周期性振动下,台阶表面上的相对滑动可能更容易发生,这导致防松性能失效。(a)新型和普通螺栓接头 (b)阶梯外螺纹和内螺纹的截面轮廓 (c)普通外螺纹和内螺纹的截面轮廓 图4 新型和普通螺栓接头以及接合螺纹的截面轮廓8内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n3.2 阶梯螺纹结构的实验研究为进一步验证阶梯螺纹