基于反復松緊后車輪緊固件的夾緊力分析與控制

曹勇，張健

(泛亞汽車技術中心有限公司,上海 201288)

0 引言

車輪系統是車輛中唯一和地面接觸的汽車零部件，承受著車輛的自身重力、轉向力、驅動力和制動力，而車輪緊固件是連接車輪系統和車輛的關鍵零件，最終都是通過該緊固件將車輛的這些力傳遞到地面來操縱車輛。如果車輪緊固件在設計或工藝控制上不合理，車輪將會在用戶使用過程中出現松動、抖動、甚至車輪松脫現象，導致發生重大安全事故。因此，研究車輛緊固件的合理設計和工藝的有效控制非常關鍵和必要。目前對緊固件的研究與分析，主要側重于對首次使用的緊固件進行分析[1]。然而對于車輪緊固件來說，由于幾乎所有售后維修保養都需要拆裝該緊固件，所以反復松緊后車輪緊固件的特性是否能滿足正常行駛要求也需要關注和進行研究。

本文作者針對車輪緊固件的原理和性能衰減原因進行分析，通過工程實例對車輪緊固件反復松緊后的夾緊力進行了分析，從而提出了設計和工藝控制上的改進方向。

1 車輪緊固件原理

車輪系統通過緊固件將車輪和制動盤連接，來傳遞行駛中需要的扭矩。在裝配該緊固件時，包括以下3個重要參數。

1.1 動態扭矩

動態扭矩是緊固件在被緊固過程中測量得到的峰值，一般是由動力工具施加得到動態扭矩，動態扭矩是在擰緊過程中測量的，在扭矩停止施載后實際扭矩會即刻發生變化。

1.2 靜態扭矩

緊固件被緊固好之后，將其在擰緊方向上繼續旋轉的瞬間所需要的扭矩稱為靜態扭矩，靜態扭矩是在緊固之后測量的。在實際生產、使用過程中，靜態扭矩都會有一定程度的衰減。靜態扭矩衰減不能完全被避免，只能通過對各種影響因素的控制和優化來改善衰減狀況，控制的目標是確保扭矩衰減后的夾緊力不低于設計夾緊力的最低要求。

1.3 夾緊力

夾緊力是被緊固件之間的相互作用力，緊固件和其施加扭矩的最終目的是讓被緊固件滿足足夠的夾緊力要求。但實際操作過程中，雖然動態扭矩甚至靜態扭矩達到要求，但是由于被緊固件的摩擦因數和表面處理不穩定，會導致被緊固件之間的夾緊力出現較大波動，甚至不能滿足要求。夾緊力滿足下面公式[2]：

(1)

式中：MA為緊固扭矩；FM為緊固扭矩對應的軸力；P為螺距；D2為中徑；μG為螺紋摩擦因數；DKm為有效直徑；μK為螺母端部摩擦因數。

通過上式可知，夾緊力與緊固扭矩、緊固件的尺寸及接觸面的摩擦因數有關。文中的研究將圍繞夾緊力及其影響因素進行討論。

2 夾緊力衰減原因

從式(1)看出導致夾緊力衰減的因素有很多，主要從首次緊固和反復裝卸兩方面進行其衰減原因分析。

2.1 首次緊固的夾緊力衰減原因

2.1.1 安裝面精度低

安裝面精度較低時，會導致被連接件的安裝精度低。在裝配過程中，擰緊螺栓的扭矩在提供緊固軸向力的同時，還會損失一部分扭矩用以矯正其端面不平度，而且在車輛使用過程中，安裝面的外力使不平的端面磨損，導致塑性變形、軸向扭矩的釋放，從而導致軸向夾緊力的減少[3]。

2.1.2 摩擦因數選擇不當

摩擦因數是緊固件的重要參數，直接影響預緊扭矩的保持性能和螺栓軸向預緊力的大小[4]。從式(1)可看出，在規定的緊固扭矩下，螺紋摩擦因數和螺母端面摩擦因數的增加會導致夾緊力的減少。因此，如果摩擦因數選擇不當或控制不穩定，就會導致夾緊力的減少。

2.1.3 被連接件產生塑性變形

如果被連接件選材不當，導致塑性變形，則會出現扭矩的釋放，從而在外力作用下會加速扭矩衰減程度，導致夾緊力的減少。

2.2 反復裝卸后導致的接觸面變化

反復松緊緊固件后，螺母表面和螺母座端面的粗糙度差，導致摩擦因數變大。從式(1)看出，摩擦因數變大后，在同樣的緊固扭矩下夾緊力會降低。

本文作者主要針對最后一種情況導致的夾緊力衰減進行定量分析，并提供解決措施，以降低夾緊力的衰減。

3 反復松緊后緊固件的夾緊力試驗方法介紹

一般采用螺母上套裝扭矩傳感器和在螺栓上安裝拉力傳感器測量扭矩與拉力的關系，以分析確認扭矩和夾緊力是否滿足設計或使用要求。文中考核反復松緊后緊固件的夾緊力，所以需要測量反復松緊后緊固件夾緊力的衰減程度。基于此需求，本文作者介紹一種能便捷地考核反復松緊后車輪緊固件夾緊力的試驗方法。該試驗在針對車輪緊固件的專用設備上進行，可測量其扭矩和夾緊力隨松緊次數變化的關系曲線。

試驗設備如圖1所示，該設備包括測量執行機構和數據采集系統兩部分，測量執行機構包括可以松緊螺母的扭轉電機和可以安裝車輪及其緊固件的夾持機構；數據采集系統包括安裝在扭轉電機下的扭矩及角度傳感器和安裝在車輪下面套住螺栓并能采集螺栓拉力值的拉力裝置。

圖1 試驗設備

試驗前，將車輪、螺栓及螺母按照要求安裝在夾持機構上，然后啟動扭轉電機，按照5 圈/min的轉速擰緊螺母到扭矩為140 N·m時停止，數采系統記錄螺栓拉力值，即被連接件之間的夾緊力。暫停10 s后松脫螺母到初始角度，重復上述步驟24次，獲得25次松緊所對應的夾緊力數據，以模擬車主在最苛刻的條件下反復松緊后，車輪與制動盤之間夾緊力隨松緊次數的關系曲線。

試驗后，獲取每次車輪與制動盤的夾緊力，并繪制和松緊次數的關系曲線，如圖2所示。一般設計要求末次的夾緊力需要大于18 kN，以滿足車輛極端行駛下所需要的夾緊力。

圖2 反復松緊后緊固件的夾緊力曲線

此試驗為多零件組合成的系統試驗，考核多個零件的整體性能，主要包括車輪螺母座的性能、螺母性能和螺栓性能。三者中任何一項性能不滿足要求，都會導致整體性能的逐漸變差，即該曲線后端滿足不了要求。

在實際工程開發過程中，眾多因素會導致該性能的降低，本文作者僅從車輪螺母座角度來對此進行研究。

4 案例介紹與分析

一般乘用車的車輪包括鋼車輪和鋁合金車輪2種，本文作者以鋼車輪為例展開分析。鋼車輪和其螺母座的剖面圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 鋼車輪剖面圖

圖4 螺母座剖面圖

按照車輪開發要求，車輪需要和整車使用的螺母螺栓配合，進行反復松緊后的扭矩與夾緊力試驗，并滿足25次后的夾緊力大于18 kN。分析某鋼制車輪15×6 J進行試驗后得出的試驗結果曲線可知，車輪緊固件首次使用時可以提供的有效夾緊力遠大于要求；但是在23次緊固松脫后，夾緊力小于18 kN，不能滿足設計要求。夾緊力與松緊次數的關系曲線如圖5所示。

圖5 某鋼制車輪夾緊力與松緊次數的關系

4.1 螺母座錐角

由于螺母錐面圖紙要求錐角為60°±0.5°，而鋼輪螺母座錐面的圖紙要求錐角為60°±1°，當極端配合出現時，例如螺母錐角為60.5°而螺母座錐角為59°時，會導致不完全匹配，錐面接觸變成線接觸，導致螺母座和螺母的摩擦扭矩變大和不穩定。從理論上考慮，期望二者完全配合。但結合成本因素，公差帶越小，所需費用越高，所以改進螺母座沖頭模具，提高精度，縮小錐角公差帶為60°±0.5°。

4.2 螺母座剛度

考慮到工程開發的實際情況，盡量避免設計更改，本文作者僅從工藝角度對螺母座剛度進行優化。如圖6所示，螺孔成型的主要工序包括螺孔包成型、沖螺孔、擠螺孔。

圖6 螺母座工藝成型流程

4.2.1 增加預成型高度

增加拉伸工序和預成型工序的高度可以增加螺母座區域材料的流動，材料在流動過程中產生加工硬化，材料性能提高。同時流入螺母座區域的材料更多，最終料厚增加，使螺母座的剛度得到提高。螺母座預成型示意如圖7所示。

圖7 螺母座預成型示意

4.2.2 增加螺孔包高度

增加成型工序中沖壓螺孔包的高度和增加預成型高度的原理相同。增加螺孔包高度示意如圖8所示。

圖8 增加螺孔包高度的工藝示意

4.2.3 調整螺孔精整擠工序

通過調整螺孔精整擠工序中螺孔沖頭的高度來實現螺母座尺寸在公差范圍內的微調，使螺母座成型更貼合要求，材料壓得更緊實，有助于提高螺母座的剛度。

4.3 試驗結果分析

按照上面的改進方案進行制樣并重新進行松脫試驗后，結果如圖9所示。

圖9 改進后夾緊力與松緊次數的關系

對該結果進行分析，總結以下幾點：

(1)與改進前試驗一樣，隨著松緊次數的增多，同樣的緊固扭矩產生的夾緊力逐漸降低。這也正是反復松脫試驗的目的，考核車主在反復松緊緊固件后，夾緊力是否仍然滿足要求。

(2)與改進前的試驗不同，最后幾次的夾緊力并沒有明顯的下行趨勢，而是趨近穩定。

(3)改進后的夾緊力衰減情況有較大改善，第25次的夾緊力大于18 KN，能滿足設計要求。

5 總結

車輪螺母松脫試驗能夠有效模擬客戶實際使用情況，即能夠在反復松緊車輪緊固件后，檢測出車輪與制動盤之間的夾緊力是否滿足車輛行駛要求。如果不滿足要求，在車輪螺母座的錐角和剛度上進行改進，可以改善反復松緊后車輪緊固件的夾緊力衰減情況，從而滿足試驗要求。