車輪螺栓螺母可靠性研究

吳雪峰，宋方方

車輪螺栓螺母可靠性研究

吳雪峰，宋方方

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

車輪輪胎螺母松動易導致輪輞螺栓孔失圓，螺栓絲扣磨損、螺紋處斷裂等問題，文章通過失效件摩擦系數、扣受力檢測分析，并結合失效螺栓的裝配條件與受力情況分析，綜合幾方面結構的設計改進及優化，提出了優化提升方案。

摩擦系數；有效旋合長度；扣受力

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-144-03

前言

車輪是汽車行駛系統中的重要部件，是承受車輛重量及運動沖擊的關鍵安全件，其功用是：支撐整車；緩和由路面傳來的沖擊力；通過輪胎同路面的附著作用來產生驅動力和制動力，承擔越障提高通過性的作用等。但輪胎螺母松脫，造成行駛過程中輪胎幾乎飛出，車輪螺栓和車輪螺母的螺紋被毀,后輪輪轂總成受損嚴重，影響駕承安全性能。

1 失效數據分析

汽車車輪螺栓的功用是用來聯接輪轂與輪輞，在汽車行駛過程中，如果出現車輪螺栓滑絲、螺母松動乃至斷裂，將嚴重危及車輛的行駛安全。

圖1 裝配示意圖

通過失效數據分析，車輪螺栓故障模式為螺紋滑絲、螺紋處斷裂。各故障占比為：

圖2 數據統計圖

2 故障原因診斷分析

2.1 影響因素

涉及螺栓螺母故障的因素較為廣泛，影響螺栓螺母失效的因素有以下多種：

1）緊固件質量是否達標（材質要求、機械性能、零件尺寸等）。

2）螺紋裝配扭矩的大小，不但與摩擦系數有關，而且與螺紋的直徑、螺紋材料、螺紋表面處理情況、螺紋材料熱處理情況、螺紋精度、表面粗糙度、硬度、抗疲勞性能、潤滑情況、螺母支撐面及內外倒角等諸多因素有關。

3）用戶使用工況、保養等。

2.2 試驗對比

從試驗結果判斷，螺栓桿部疲勞強度的安全裕度很大，車輪螺栓失效60%以上是滑絲，斷裂也是“先松、后斷”，所以車輪螺栓失效首先發生在螺紋牙部位。

圖3 試驗分析

2.3 摩擦系數影響

根據SCHATZ的相關試驗數據，相同的安裝扭矩，摩擦系數μ=0.08和μ=0.16時，其螺栓摩擦系數和扭矩的關系，相同扭矩下，μ=0.08所產生的軸向夾緊力比μ=0.16提高了81.8%。

圖4 試驗分析

據了解，德國VDI標準推薦：摩擦系數應該不小于0.08（松動的問題），不大于0.2（粘滑效應、螺栓利用率低等），以M22*1.5，10.9級螺栓為例，為提高同規格螺栓的最大允許預緊力，應適當減小螺紋的摩擦系數。

圖5 最大預緊力圖示

不同材質連接摩擦系數分析：

1）鍍鋅+鍍鋅：摩擦系數最大，且散差最大，涂潤滑脂以后，狀態良好；

2）鍍鋅+達克羅：摩擦系數大，且散差大，涂潤滑脂以后，散差仍較大；

3）摩擦系數穩定劑處理后，效果較好。

圖5 車輪螺栓螺母的摩擦系數實測值

在裝配過程中，涂抹潤滑脂的均勻性不易控制，可能會導致實際摩擦系數的散差增大（暫無實測數據，推測的最大范圍是0.08-0.37）。摩擦系數穩定劑處理是螺母生產的最后一道工序，無需在裝配線上涂抹。

圖6 現場裝配示意圖

裝配過程按“550±50Nm”扭矩進行控制，而真正起夾緊作用的是預緊力，摩擦系數散差會引起預緊力的變差,汽車輪螺栓、螺母的摩擦系數散差過大，會引起連接的可靠性變差。

2.3 螺母結構的影響

2.3.1 螺紋有效旋合長度

根據VDI2230標準，利用Launch zthread軟件計算，Meff=21.11，得到安全的有效旋合長度為：14扣。

圖7 螺紋有效旋合長度計算

2.3.2 扣受力螺紋牙結構

根據計算分析： 由11扣提升至14扣，降低第一扣載荷7.3%；進一步提高至16扣，降低幅度2.7%。

圖8 扣受力對比

2.3.3 “薄壁帶螺紋”結構的影響

“薄壁帶螺紋”的結構，使得螺紋前幾扣載荷分布更均勻，有效降低第一扣螺紋牙的載荷，提高疲勞強度30%。

圖9 薄壁帶螺紋結構示意圖

M22的車輪螺栓、螺母的安全有效旋合長度應該設計為14扣；第一扣螺紋的載荷占比很大，而“薄壁帶螺紋”的結構可降低第一扣載荷30%，使得連接更加可靠。

3 方案提出

通過結構試驗分析研究，確定以下兩條可靠性提升方案：

1）采用MAN車輪螺母結構，車輪高度30mm，旋合扣數14扣以上，在車輪螺母高度29-30mm時，可實現16扣；其中前兩扣延伸至墊圈部位，使載荷分布向后偏移。

2）為了進一步明確摩擦系數，車輪螺母圖紙技術要求中明確了摩擦系數為0.11±0.03。

3）針對鍍鋅螺栓體現摩擦系數穩定劑處理工藝，涂抹摩擦系數穩定劑，再增加涂油或涂脂工序。

4 結論

通過失效率及螺紋旋合長度等方面研究，對螺栓、螺母進行摩擦系數多組試驗，對數據進行統計分析，并結合螺栓螺母裝配關系、摩擦系數及材質特性的梳理分析，確定了螺栓松動斷裂故障的核心因素，提出的故障診斷及改進方案，可作為車輪螺栓螺母設計及故障排查的參考依據。

[1] 李靜.車輪螺栓及車輪螺母設計優化[J].汽車實用技術.2012年第4期.

Reliability reseach of vehicle wheel bolt and nut

Wu Xuefeng, Song Fangfang
( Shaanxi Heavy Automobile Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )

The wheel tyre loose nut is easy to cause the rim bolt hole circle, bolt thread problem such as wear and fracture in thread.This article presents a lifting scheme optimization by the analysis of the failure parts, mechanical friction coefficient test, combined with the failure of the bolt assembly condition and force analysis, the comprehensive aspects of the structure of the design improvement and optimization.

the coefficient of friction; effective screw length; the buckle stress

U467

A

1671-7988 (2017)16-144-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.050

吳雪峰，就職于陜西重型汽車有限公司。