車輪螺母表面處理對預緊力的影響

陳傳增，宋霞

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230001；2.安徽安凱客車股份有限公司，安徽 合肥 230001）

前言

車輪連接副是車輛應用極為重要的部件，它的作用是將車輪與輪轂可靠地連接的一起，保證車輛的安全行駛。車輪連接副的失效將導致嚴重的后果，不但會造成車輛零部件的損壞，還可能造成重大經濟損失和人員傷亡。

車輪連接副失效表現(xiàn)形式主要是連接副松脫、螺栓斷裂，產生的直接結果就是車輪飛出進而引發(fā)事故。通過對多次車輪栓斷裂失效的分析，斷裂前螺栓副的松動造成預緊力下降，引起車輪與輪轂之間的相對運動，造成螺栓受到車輪安裝孔剪切力引發(fā)疲勞斷裂是主要的原因，所以穩(wěn)定的預緊力是保證車輪連接正常的重要因素。

圖1 車輪螺栓連接副示意圖

中國卡車企業(yè)車輪緊固大部分是應用自動擰緊機通過固定扭矩的方法擰緊，根據(jù)對國內車輪螺栓、螺母的檢測，不同廠家、不同表面處理的車輪連接件摩擦系數(shù)存在較大差異，采用定扭矩法擰緊就會出現(xiàn)較大的預緊力差異，進而影響車輪的緊固性能。

本文通過理論分析和試驗測試，分析不同表面處理方式對車輪螺母摩擦系數(shù)的影響，提升車輪緊固的可靠性。

1 連接副預緊力理論分析

設定車輪緊固力矩為T，在力矩T的作用下，在螺栓與車輪輪轂之間產生預緊力F0。由力矩平衡可知，擰緊力矩T等于螺母與螺栓旋合部分（螺旋副）產生的摩擦力矩T1和螺母環(huán)形端面與車輪接觸面之間的摩擦阻力矩T2之和，即

螺旋副間的摩擦力矩為

ψ為螺紋升角，d2為螺紋中徑，φv為螺旋副的當量摩擦角

螺母與支撐面間的摩擦力矩為

D0為接觸面外徑，d0為安裝孔內徑，μb為接觸面摩擦系數(shù)

整理后得：

根據(jù)三角函數(shù)關系

根據(jù)國標螺紋標準，ψ一般在 1°42′～3°2′，有φv=arctan1.155μth，μth為螺紋的摩擦系數(shù)，螺紋摩擦系數(shù)在無潤滑狀態(tài)下一般為 0.08～0.15，計算得φv范圍為 5°16′～9°49′。所以：

帶入公式得：

通過公式（10）可知，在連接副結構已定的情況下，采用定扭矩裝配法，螺紋摩擦系數(shù)μth和接觸面摩擦系數(shù)μb是影響預緊力的兩個因素。

2 應用分析

針對某公司6×4重卡用車輪連接結構，如圖2、圖3所示：

圖2 車輪連接結構

其參數(shù)為：P=1.5，d2=21.026，β=30°，D0=46，d0=26帶入公式（10）得：

因為重型卡車車輪螺母采用防松墊片組合螺母，所以接觸面摩擦系數(shù)μb是由螺母與輪輻接觸面和螺母與防松墊片接觸面之間的摩擦系等效組成的綜合接觸面摩擦系數(shù)。

為研究表面處理對連接副摩擦系數(shù)的影響，避免其他因素對測試結果的影響，所做測試采用同批次標準螺栓，規(guī)格M22×1.5，所測試螺母采用同批次螺母，僅表面處理工藝不一致，測試支撐面采用車輪輪輻的等效替代墊塊，如下表：

表1 連接副和測試設備參數(shù)

所測試螺母為實際應用狀態(tài)，鍍鋅螺母表進行去油脂處理，磷化螺母表面涂防銹油。

3 測試分析

3.1 螺紋摩擦系數(shù)μth分析

表2 μth對比

1）螺紋摩擦系數(shù)平均值μth黃鋅＜μth白鋅＜μth磷化。

2）三種表面處理方式摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，σ黃鋅＜σ磷化＜σ白鋅，三種表面處理方式μth穩(wěn)定性較好，波動不大。

3.2 接觸面摩擦系數(shù)μb分析

表3 μb對比

1）接觸面摩擦系數(shù)平均值μb黃鋅＞μb白鋅＞μb磷化，μb黃鋅與μb白鋅相差不大，但兩者與μb磷化差距很大。

2）對三種表面處理方式，接觸面摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，σ黃鋅＞σ白鋅＞σ磷化，且μb磷化的穩(wěn)定性非常好，μb黃鋅與μb白鋅波動很大。

分析原因為磷化螺母表面涂抹防銹油，使防松墊片與螺母的配合錐面之間摩擦系數(shù)大大減小，且摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。

3.3 綜合摩擦系數(shù)μtot分析

表 4 μtot對比

1）綜合摩擦系數(shù)μtot與接觸面摩擦系數(shù)μb趨勢基本一致。

2）綜合摩擦系數(shù)平均值μtot黃鋅＞μtot白鋅＞μtot磷化，鍍黃鋅與白鋅的綜合摩擦系數(shù)相差不大，磷化處理方式的綜合摩擦系數(shù)較小。

3）綜合摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性，σ黃鋅＞σ白鋅＞σ磷化，且μtot磷化的穩(wěn)定性非常好，μtot黃鋅與μtot白鋅波動很大。

測試結果顯示μth與μb相差較大，所以μb對μtot的影響大，通過曲線也可以看出，μb與μtot的趨勢一致，所以磷化螺母的綜合摩擦系數(shù)也是最穩(wěn)定的，μtot磷化在 0.089-0.11之間，對預緊力的控制非常有利。

3.4 預緊力F0分析

表5 F0對比

1）在車輪定扭矩裝配中，預緊力 F0的變化趨勢與μtot成反向相關性，μtot越大，F(xiàn)0越小。

2）預緊力F0趨勢與μtot一致，F(xiàn)0磷化非常穩(wěn)定。

4 結論

1）通過對車輪螺栓扭矩與預緊力的分析計算，得出在定扭矩裝配中預緊力的大小取決于螺紋表面摩擦系數(shù)和接觸面摩擦系數(shù)，且摩擦系數(shù)的輕微變化對預緊力有很大的影響。

2）通過對摩擦系數(shù)的測定，車輪連接副接觸面摩擦系數(shù)比螺紋摩擦系數(shù)大很多，接觸面摩擦系數(shù)對綜合摩擦系數(shù)的影響大。μb鍍鋅是μth鍍鋅的 3-4 倍，μb磷化是μth磷化的 2 倍左右。

根據(jù)公式 T=F0·（0.2389+12.1394μth+18.4630μb），μb前系數(shù)是μth前系數(shù)的1.52倍，所以μb對預緊力的影響很大。保證μb的穩(wěn)定就能更容易保證μtot的穩(wěn)定，也就更容易保證預緊力的穩(wěn)定。

3）從測試數(shù)據(jù)看出，鍍白鋅與鍍黃鋅對μb、μth、μtot的影響不大，在沒有外加摩擦系數(shù)封閉劑的情況下，μth較為穩(wěn)定，說明該批次螺母螺紋加工和表面處理工藝一致性較好，但是μb存在很大波動，說明接觸面，尤其是螺母與防松墊片之間的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性很差，但是磷化螺母因為防銹油的原因，接觸面摩擦系數(shù)非常穩(wěn)定。

4）通過對正常供貨狀態(tài)不同表面處理形式車輪螺母試驗檢測，得出，采用磷化處理方式的螺母，在無需使用摩擦系數(shù)封閉劑的情況下就能夠提供非常穩(wěn)定的綜合摩擦系數(shù)，即能提供穩(wěn)定可控的預緊力，保證連接副連接可靠。

[1] 濮良貴,紀名剛等.機械設計.[M]高等教育出版社.第八版,2006.05.

[2] 譚雄臻,涂德先,吳慧,韋耀華.表面處理對螺栓擰緊特性的影響分析.武漢理工大學學報（信息管理工程版）.2013年8月第4期.