大功率制动盘紧固连接设计及拧紧技术研究…

式中：pM max 为装配状态表面最大压应力；pB max 为工 作状态表面最大压应力 ；Ap 为螺栓或螺母支承面 积；pG 螺栓、螺母或垫圈的最大许用压应力。

1.2.9 校核抗滑移能力 

    紧 固 连 接 模 型 中 ，螺 栓 的 横 向 载 荷 需 要 承 担
制动扭矩，因此：    最小残余夹紧力：FKR min = FKerf 

    承担横向载荷所需的最小夹紧力为式（21）：

    抗滑移安全系数需满足如下要求为式（22）：

1.3 结果分析 

    按 照 建 立 的 计 算 模 型 ，结 合 制 动 盘 的 运 用 工
况，对制动盘螺栓的安装预紧力进行校核计算，计
算结果见表 1。 

    从 计 算 结 果 可 以 看 出 ，满 足 运 用 要 求 的 预 紧
力 控 制 范 围 在 40~65 kN 之 间 ，该 范 围 内 ，SF、SD、
SPG、SBG、SG 大于等于 1. 0。各项安全系数满足运用
要 求 。考 虑 装 配 过 程 中 安 装 预 紧 力 的 离 散 性 ，确
定扭矩—转角法工艺开发过程中螺栓的目标预紧力为 55 kN。

2 工艺参数研究 

    通过扭拉试验，研究紧固件的扭拉特性，探索
初步的扭矩—转角法组装工艺参数。试验室扭拉
特性测试设备为 Schatz 卧式拧紧试验机。 

2.1 扭拉试验 

    考虑到螺纹配合界面间摩擦系数、毛刺、凸起
等 离 散 性 因 素 的 影 响 ，试 验 时 先 对 螺 母 施 加 一 定
预 紧 扭 矩 ，然 后 再 拧 松 螺 母 ，对 螺 纹 进 行 磨 合 ，最
后按目标预紧力进行扭拉测试试验。取 5 套紧固
件作为试验样本进行测试，试验结果如图 4 所示。 

    贴紧扭矩达到 30 N⋅m 时，试验螺栓扭拉关系
曲线全部进入线性段，表明紧固件已经完全贴合。考 虑 到 拧 紧 时 摩 擦 系 数 具 有 一 定 的 离 散 性 ，为 了
保 证 所 有 螺 栓 均 完 全 贴 合 ，贴 紧 扭 矩 通 常 为 试 验
值的 1. 3 倍，因此初步确定贴紧扭矩为 40 N⋅m。拧
紧试验过程中，扭矩达到 4 N⋅m 时，开始记录扭转
角度，当螺栓轴力达到目标预紧力时，各试验样本
的扭矩转角度见表 2，扭转角度均值为 79. 5°。确定
初步的工艺参数为 40 N⋅m+79. 5°。

2.2 参数修正 

    试 验 室 扭 拉 试 验 机 的 夹 紧 层 材 料 为 铝 合 金 ，
制动盘的实际夹紧层材料为铸钢，分析对比 2 种夹
层 材 料 的 弹 性 模 量 ，见 表 3。由 表 3 可 知 ，扭 拉 试
验机的夹层刚度小于制动盘的夹层刚度。因此采
用 扭 矩 转 角 法 进 行 组 装 时 ，扭 拉 试 验 测 得 的 扭 转
角度要大于实际组装过程中的扭转角度。有必要
对扭拉试验测得的扭转角度进行修正。 

    扭矩—转角法是在组装过程中螺纹紧固件达
到 规 定 的 起 始 扭 矩 后 ，再 转 动 螺 纹 件 达 到 目 标 角
度 的 一 种 紧 固 件 安 装 方 法［11］。具 体 原 理 为 ：螺 纹
副相对转动一定的角位移后使螺栓产生一定的轴向 伸 长 量 ，从 而 产 生 轴 向 预 紧 力 。根 据 扭 矩 — 转
角 法 的 拧 紧 原 理 建 立 螺 栓 的 受 力 三 角 形 模 型 ，如
图 5 所示。

    由 图 5 可 以 看 出 ，拧 紧 螺 母 达 到 贴 紧 扭 矩 40
N⋅m 时 ，螺 栓 轴 力 为 F0，螺 栓 变 形 量 为 lS0，夹 紧 件
的 变 形 量 为 lP0。当 不 停 顿 继 续 拧 紧 ，并 开 始 记 录
扭转角度，扭转角度达到 λ 时，螺栓轴力达到目标
预紧力 FM，螺栓变形量为 lSM，夹紧件变形量为 lPM，
由此可以得出： 

    螺栓的弹性变形量为式（23）：

式中：η 为修正系数。 

    结 合 轮 装 制 动 盘 的 实 际 工 况 参 数 可 以 得 出 ：修 正 系 数 η=0. 55，制 动 盘 作 为 夹 紧 层 时 λ钢 =
43.76°。根据实际组装工况对扭转角度进行取整，
从而确定初步的工艺参数为 40 N⋅m+45°。考虑到
实 际 组 装 条 件 影 响 因 素 较 多 ，该 工 艺 参 数 还 需 在
工程实践中进行验证。 

3 组装验证试验 

    为了验证试验室扭矩—转角法工艺参数的准确性，确定扭矩—转角法的最终工艺参数，进行组
装验证试验。 

3.1 试装试验 

    在组装现场对初步的扭矩—转角工艺参数 40
N⋅m+45° 进 行 试 装 ，试 验 样 本 为 1 套 轮 装 制 动 盘
（包 括 12 颗 螺 栓），组 装 设 备 为 Atlas 自 动 拧 紧 机 。组 装 完 成 后 ，采 用 超 声 波 轴 力 测 试 设 备 对 螺 栓 预
紧力进行测试，记录螺栓的预紧力值。 

    扭 矩 — 转 角 工 艺 参 数 为 40 N⋅m+45°时 ，试 验
结果如图 6 所示，1 套制动盘 12 螺栓共测得 8 个有
效预紧力值。

    从图 6 可以看出，当扭矩—转角工艺组装参数
为 40 N⋅m+45°时 ，测 得 的 安 装 预 紧 力 均 小 于 目 标
预 紧 力 ，因 此 该 扭 矩 — 转 角 工 艺 组 装 参 数 不 满 足
工程应用要求，需要对扭转角度进行调整。

3.2 参数调整试验 

    根 据 试 装 情 况 ，增 大 扭 转 角 度 进 行 参 数 调 整
试验，扭矩—转角工艺参数分别为 40 N⋅m+47. 5°、
40 N⋅m+50°和 40 N⋅m+52. 5°，每 个 工 艺 参 数 试 验
样本均为 1 套轮装制动盘，试验结果如图 7 所示。

    由图 7 可以看出，第 1 组制动盘组装工艺参数
为 40 N⋅m+47. 5°，安装预紧力范围为 48~54 kN，均
小 于 目 标 预 紧 力 ；第 2 组 制 动 盘 组 装 工 艺 参 数 为40 N⋅m+50°，安装预紧力范围为 52~57 kN，安装预
紧力围绕目标预紧力上下波动；第 3 组制动盘组装
工 艺 参 数 为 40 N⋅m+52. 5° ，安 装 预 紧 力 范 围 为
54~62 kN，大 部 分 安 装 预 紧 力 大 于 目 标 预 紧 力 。因此确定适用于制动盘组装的扭矩转角工艺参数
为 40 N⋅m+50°。 

3.3 扩大样本试验 

    为了验证轮装制动盘扭矩—转角工艺组装参
数（40 N⋅m+50°）的 适 应 性 ，确 定 扭 矩 — 转 角 法 组
装工艺的监控扭矩，进行扩大样本组装试验，试验
样 本 为 4 套 制 动 盘（每 套 12 颗 螺 栓），在 A、B 2 个
不 同 的 组 装 厂 进 行 试 验 。具 体 试 验 方 案 ：在 A 厂
组装 1 套制动盘，采用相同批次紧固件；在 B 厂组
装 3 套制动盘，其中 2 套为相同批次紧固件，1 套为
不 同 批 次 紧 固 件 。按 照 上 述 试 验 方 案 进 行 试 验 ，
对螺栓预紧力进行测试，试验结果如图 8 所示。

    由 图 8 中（a）试 验 结 果 可 以 看 出 ，螺 栓 安 装
预 紧 力 分 布 在 50~65 kN 之 间 ，围 绕 目 标 预 紧 力
55 kN 上 下 波 动 ，一 致 性 较 好 ，满 足 预 紧 力 的 范 围
要 求 ，说 明 扭 矩 转 角 工 艺 参 数（40 N⋅m+50°）合 理
可行，具有良好的稳定性和适应性。 

    为了增强扭矩—转角法组装过程中异常件的
辨识能力，需要确定合理的扭矩范围，作为制动盘
组装过程中的监控扭矩。由图 8 中（b）试验结果可
以看出，安装扭矩分布在 137~175 N⋅m 之间，安装
扭 矩 一 致 性 较 好 ，考 虑 到 批 量 组 装 过 程 中 紧 固 件摩 擦 系 数 的 离 散 性 ，在 试 验 结 果 的 基 础 上 适 当 增
大监控扭矩范围为 130~190 N⋅m。 

4 结 论 

    文 中 形 成 了 以 紧 固 连 接 计 算 为 依 据 ，以 扭 拉
试验结果为基础的紧固件扭矩—转角法组装工艺
开发流程。具体结论如下： 

（1）基于 VDI2230 理论对高速动车组轮装制动
盘 进 行 紧 固 连 接 计 算 ，建 立 适 用 于 轮 装 制 动 盘 的
紧固连接计算模型，确定了螺栓目标预紧力。（2）通过扭拉试验，研究了紧固件的扭拉特性
和 初 步 的 扭 矩 — 转 角 工 艺 参 数 ，提 出 了 以 试 验 为
基 础 的 工 艺 参 数 修 正 方 法 ，确 定 了 初 步 的 扭 矩 —
转角法组装工艺参数。 

（3）通过工厂验证试验，明确了最终的扭矩—
转 角 工 艺 参 数 及 监 控 扭 矩 ，验 证 了 工 艺 参 数 的 稳
定 性 和 适 应 性 ，增 强 了 制 动 盘 组 装 工 艺 故 障 件 的
辨识能力。