对于商用卡车而言，发动机前置，主减速器连接传动轴与后桥，动力从发动机传动主减速器，利用准双曲面齿轮来改变动力传递的方向，同时降低转速、增大扭矩，带动半轴齿轮转动，进而使得半轴、轮毂、轮胎转动，降低转速、增大扭矩，驱动车辆行驶。

主齿凸缘螺母装配在凸缘与主动齿轮上，一方面提供保证主动齿轮正常转动的轴向力，另一方面为主齿轴承提供一定的轴承预紧力。

凸缘螺母一旦松脱，主减速器会很快失效，导致车辆无法行驶。本文通过对 30°楔形角螺纹的防松性能的研究来探讨如何将其应用到主齿凸缘螺母上，降低主齿凸缘螺母松脱的几率。

一、主齿凸缘螺母松动原因

标准内外螺纹配合中，外螺纹的牙顶和内螺纹的牙根间存在横向间隙，如图 1 所示，在横向振动或横向力达到一定程度时，内外螺纹间将产生相对的横向移动，此微小的移动，会将螺纹副间的变形能释放掉，即螺纹的弹性变形以及压力变小，导致螺母松脱。

在车辆前进时，主动齿轮受到的轴向力方向与前进方向一致，凸缘螺母与主齿螺纹接触的位置的变形量有减少的趋势，此时更容易松动。

二、30°楔形角螺纹防松原理与受力分布

防松原理

30°楔形角内螺纹的牙底处有一个 30°的楔形面，在拧紧时，普通外螺纹的牙尖顶在楔形面上，如图 2 所示。

图 2 30°楔形角螺纹与普通螺纹法向、径向力对比

当轴向力均为 P 时，

法向力：

普通螺纹 F = 1.15P 30°楔形角螺纹 F = 2P

径向力：

普通螺纹 F = P·tan30° = 0.58P30°

楔形角螺纹 F = P·tan60° = 1.732P

由上可知，30°楔形角螺纹的法向、径向力均大于普通螺纹的法向、径向力，防松摩擦力大大增加，防松效果提高明显。

受力分布

普通螺纹与 30°楔形角螺纹受力分布如图3与图 4 所示。

图 3 普通螺纹受力分布

图 4 30°楔形角螺纹受力分布

由于普通螺纹在中径处发生接触并变形，截面较宽，难变形，所以前几牙的受力较大，这也是经常发现前几牙的螺纹磨损较严重的主要原因。而30°楔形角螺纹是牙顶接触并变形，由于容易变形，所以受力均匀，因此螺纹的疲劳寿命较长。

三、装配力矩的变化

装配扭矩理论分析

以拧入为例，拧紧力矩等于螺纹副间的摩擦阻力矩和螺母环形端面与被连接件支撑面间的摩擦阻力矩之和。由于 30°楔形角螺纹与普通螺纹相比只是改变了螺纹，所以现只对螺纹副间的摩擦阻力矩进行分析，如图 5 所示。

图5 拧入力矩受力模型

拧入力矩 ：T = Fa·tan (ψ + ρ′）° = Fa·tanψ + arctan（f/cosβ）

其中，Fa 为轴向力；ψ 为 螺纹升角；ρ＇ 为当量；摩擦角；f 为摩擦系数；β 为牙侧角；d 为螺纹副接触处直径。

由于 30°楔形角螺纹牙侧角 β1 = 60°，普通螺纹牙侧角 β2 = 30°，所以 ρ1＇ ＞ ρ2＇，又因为 30°楔形角螺纹是配合外螺纹的牙顶接触，普通螺纹是中径接触， 所以 d1 ＞ d2 故

T1 ＞ T2

即相同轴向力时，30°楔形角螺纹的拧紧力矩比普通螺纹的拧紧力矩大。同理，拆卸时，30°楔形角螺纹的拆卸力矩比普通螺纹的拆卸力矩大。

拧紧力矩实测

为了解30°楔形角螺纹与普通螺纹的装配扭矩差别，用拧紧机进行了拧紧力矩测试，在同样大小的起动摩擦力矩时，装配扭矩的数据如表 1 所列。

表1 装配扭矩

由上表数据得到，30°楔形角螺纹的螺母在使主齿轴承达到特定起动摩擦力矩时的拧紧力矩是普通螺纹拧紧力矩的 1.1~1.3 倍，与理论分析得较符合。

四、30°楔形角螺纹的防松性能试验

现选择某型号主减速器，其主齿凸缘螺母采用30°楔形角螺纹，对其进行楔形面角度检测、螺母振动防松试验以及主减疲劳试验。

楔形面角度检测

由于 30°楔形角螺纹是依靠 30°楔形面来实现自锁的，所以用轮廓仪对角度进行检测，结果如表2所示。

表2 角度检测 表2 角度检测

考虑到测量误差以及镀层的影响，上述的数值符合设计要求。

螺母振动防松试验

按照 GB/T10431-2008《紧固件横向振动试验方法》以及表 3 的试验参数对凸缘螺母进行试验。

表 3 试验参数

试验数据如表 4，轴力衰减小于设计要求的10%。

表4 试验结果

主减疲劳试验由于 30°楔形角螺纹是外螺纹牙顶与内螺纹的楔形面配合，所以相配合的外螺纹的大径尺寸对防松有较大影响，而普通螺栓配合时是中径处接触，不会考虑大径的尺寸，现挑选一些大径尺寸不同的外螺纹进行主减装配并试验，如图 6 所示。

图 6 主减速器装配 图 6 主减速器装配

在对失效件进行拆解分析时发现，疲劳寿命小于50万次的4组主减，主齿与凸缘有明显的松动，根据表5的试验数据得到以下两个结论：

表 5 试验数据

  • 配合外螺纹的外径达不到 6 g 公差时，主减疲劳寿命满足不了设计要求，与之前的理论分析一致；

  • 30°楔形角螺纹的防松效果比普通螺纹有明显的提升。此螺母还进行了装车道路试验。在3万公里的试验场道路试验结束后，主齿螺母没有任何松动。

五、螺丝君经验总结

通过这个优化改善，主齿凸缘螺母的松脱得到了有效的解决，但同时由于靠外螺纹的牙顶在楔形面上的变形来提高自锁性能，所以应用时要注意以下两点：

  • 为保证起动摩擦力矩达到设计值，装配扭矩比普通螺纹大 1.1~1.3 倍；

  • 相配合外螺纹的外径公差要满足 6 g 或 6 h 的要求，同时螺纹不允许有脱碳层。

作者：许克杨;陈利;潘毅

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