轎車車輪用螺栓軸力設計與測試應用

劉增杰 周杰 杜青春 吳坤鵬

摘要： 在測試技術飛速發展的今天，軸力監測在失效預防中發揮的作用越來越重要，伴隨著傳感器技術的進步，無線傳輸技術的成熟，綜合技術的應用發揮其作用。本文主要對汽車車輪用測試應力螺栓設計進行闡述，詳細說明了軸力螺栓的制作與數據采集應用方案，并對測試意義進行了評估。

Abstract： With the rapid development of testing technology， axial force monitoring is playing a more important role in failure prevention nowadays. Comprehensive technology becomes popular as the advancement of sensor technology and the maturity of wireless transmission technology. This article mainly elaborates the design of test stress bolts for automobile wheels， and the production and data collection application schemes of axial force bolts. It also evaluates the significance of the test.

關鍵詞： 汽車車輪用螺栓;設計制作;應力測試

Key words： bolts for automobile wheels;design and production;stress test

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0029-02

0? 引言

螺栓緊固件大家都熟悉，日常機械中也比較常用，在航空航天、汽車交通、通信等領域中應用十分廣泛。螺栓是緊固連接零件，在日常使用中會受到拉力與壓力，還有安裝時螺栓受到禁固力，如果設計不完善或出現過載會導致螺栓斷裂連接失效。在汽車部件應用中涉及到人身安全的領域，出現事故后會造成的人身財產損失。直接對螺栓進行準確的監測與控制受到的軸向應力，對與失效前控制降低損失有相當的重要的意義。螺栓軸向力雖然存在通用計算方法得到粗略的螺栓軸向力，但由于螺栓在安裝使用過程中所受影響因素比較多，計算值存在一定的誤差。對相應扭矩下的螺栓軸向力進行測試可以直接得到螺栓此時的應力值，對軸向力進行監控可以提前監測到異常，及時更換新螺栓等方式進行處理，避免損失。

1? 轎車用車輪軸力螺栓的設計制造。

1.1 物料分析

1.1.1 轎車車輪緊固螺栓形式分析。市場上轎車車輪螺栓直徑基本分為M12、M14、M16、M18、M20等五種種類，而螺距又以1.25mm和1.5mm為常用規格，此外還包括螺距1.75mm、2mm、2.5mm等特殊規格。我國乘用車市場中常用螺栓規格一般為M12*1.25、M12*1.5、M14*1.5。

1.1.2 軸力傳感器也是應變計，原理為當粘貼在結構物體上的應變計感受到結構物體產生變形時，應變計同步進行變形，應變計內部的金屬電阻在變形時，電阻產生相應的變化，通過檢測電阻的變化而對應變進行測定，進而通過應變計算應力。應變計它主要由4部分組成[1]。①由電阻絲制成的敏感柵;②襯底和保護層：起絕緣作用;保護層起保護電阻絲的作用;③粘合劑：它將電阻絲與襯底粘貼在一起;④引出線：它起連接測量導線的作用。目前市場上品牌與規格型號繁多，柵長或者面積從幾毫米到幾十厘米，應變計電阻值：60、120、350、500、1000歐姆等，應變計規格單軸、雙軸、三軸、四軸、單軸5片、雙軸5片等，根據用途分為水下、耐高溫、木材、混凝土、螺栓等。

1.1.3 應變分析儀。應變儀確切名稱為電阻應變儀[2]，是利用金屬的應變-電阻效應制成的電阻應變儀，通過測量電阻變化，間接測量應力。電阻應變儀實質上是測量電阻變化，但用應變刻度讀數顯示，一開始的電阻應變儀一般用指示電表指示或用記錄儀記錄。隨著電子技術的發展，出現了數字式應變儀，它直接用數字顯示應變，可進行多點應變快速測量，對于隨時間變化很快的動態應變信號，發展了數據采集裝置和系統，它由計算機進行操作，可進行實時數據采集、傳送、儲存和處理。目前有無線傳輸與有線傳輸，試用于不同的場景，動態測試時需要采用無線傳輸或者滑環方式。

1.1.4 應變膠粘劑[3]，俗稱為膠水。可以把應變計粘接在試件上，保證傳遞一致。應變膠粘劑應有較好的粘接性能、一定的線膨脹系數、較低的固化收縮率、不蠕變、無滯后等。如使用溫度范圍比較寬、可在室溫固化的環氧型應變膠;在接近絕對零度（-273攝氏度）的超低溫下仍有延伸率、在260攝氏度時可連續工作的酚醛-環氧型應變膠;可在-269～+280攝氏度以及核輻照條件下使用，可用于大應變測量的聚酰亞胺應變膠;適用于大應變（即塑性應變）測量，應變范圍可達10-15的合成橡膠類應變膠;可用于400攝氏度下高溫應變測量，以有機硅加入無機填料為基料的耐高溫應變膠;可以瞬間或快速枯合的α-氰基丙烯酸酷應變膠或聚醋應變膠等。各種應變膠根據使用條件。用于制作和粘貼電阻應變片，是各種應力應變測量和傳感器制造中的關鍵材料之一廣泛用于機械、航空、化工、原子能、商業等部門的測量、控制和稱重工作自動化過程。

1.2 軸力螺栓的組裝

①選擇車輪匹配的螺栓，在螺栓頂部打孔，選擇Φ2mm-Φ2.1的鉆頭，孔壁需要有一定的粗糙度;對螺栓采用超聲波進行清洗，清洗時可以適當加入清洗液，多次清洗到目視無雜質為止，然后使用高低溫試驗箱進行烘干。考慮螺栓強度原因，應變計傳感器選擇Φ1.9mm應變儀傳感器或者低于Φ2mm，不限定品牌，選擇應力測試儀包含的規格。應變計使用使用前進行阻值測量與外觀檢查，采用目視進行或者借助顯微鏡等儀器進行，目的在于觀察敏感柵有無損壞或者存在缺陷，引線是否完好。測量四分之一橋測量電阻，檢查是否有斷路、短路，電阻值是否一致。

②根據螺栓使用部位決定應變計粘貼的深度，保證應變計敏感柵的中心位置在螺栓受力的中心，同時在應變計上進行標記，方便粘貼時進行深度定位，保證同批次制作完成的軸力螺栓一致性。

③用注射器吸取配置好的膠水，注意根據膠水粘稠度選擇注射器針頭的粗細，先加注膠水到孔的底部，一邊加注一邊往外移動，保證膠水及時的補充空余部位，待孔內全部是膠水后，壓入應變計傳感器，應變傳感器占用體積排除的膠水正好為頂部封閉使用。放入深度為應變計標記位置。將軸力螺栓垂直放置，有條件的可以將軸力螺栓放入真空設備中進行抽真空，以便排除膠水中的空氣。

④根據膠水的要求進行固化，室溫或者高溫箱處理。膠水粘結劑初步固化后，即可進行測量線的焊接工作。應變計和測量線間的連接最好通過接線端子，焊點確保無虛焊。測量線最好與試件綁扎固定，測量線兩端根據測點的編號作好標記。結構如圖1所示。[2]

⑤對貼片進行檢查，查看外觀、測量電阻。測量電阻值可以檢查有無斷路、回路、粘貼的狀態。

⑥對傳感器進行校準，根據螺栓規格制作對應夾具，讓螺栓自由受力，校準設備可以采用拉伸試驗機進行。得出校準系數及評價線性關系，軸力螺栓制作完成。校準曲線如圖2所示。

2? 軸力測試

①把軸力螺栓安裝到測試設備或者車輛車橋上，注意需要使用車輪匹配的螺栓或者螺母，保證其匹配性。安裝車輪，采用車輛要求的緊固力矩的10%對所有螺栓進行預緊固，然后依次緊固到車輛要求的力矩值。安裝過程中注意線路不能折斷擠壓。

②連接應變分析儀的傳輸或者滑環部分，需要注意線路的對應性，啟動應變測試儀逐個進行測試連接，確認信號是否正常，確認無誤后手動緩慢試運行查看設備狀態，確認全部正常時開啟測試設備進行測量，采用無線傳輸的設備需要保證距離在范圍內，保證信號強度足夠，具體可以查看應變儀說明書，不同廠家會有區別。

③數據的收集，從應變儀中實時讀取數據，不僅可以收集恒定狀態的數據，也可以收集各種變化條件下的數值，還可以收集螺栓斷裂前極限應力數據。數值分析可以評價設計合理性，極限狀態下的數值可以作為安全限值進行監控管理。如圖3所示[3]。

3? 軸力測試應用

①用于新研發車輪內部實驗室驗證，軸力測試值評估產品裝配尺寸設計的合理性，與制造過程工藝選擇的適宜性，裝配尺寸與接觸位置光潔度直接影響軸力值，同樣軸力測試值也可以反饋出裝配尺寸狀態。②用于新開發車輛路試中的數據收集（實驗室試驗），可以分析出整個道路循環中各種路段車輪螺栓受力狀態，根據受力狀態對螺栓的選擇合理性進行評估，并修訂評價設計選擇標準，選擇合理成本的物料。③日常車輛行駛中監控，日常行車中實時監控螺栓力值，出現一個螺栓異常斷裂時能及時出現報警。對車輪幾個螺栓進行實時監測，當有一個螺栓在斷裂前或者出現裂紋后，對應的軸力會出現異常變化，出現異常后可以針對性進行檢查更換，避免引發多個螺栓斷裂，最終車輪飛出發生安全事故。

4? 結束語

本設計詳細說明了軸力螺栓的設計制作過程，可以根據需要選擇適合品牌的物料，給使用者預留了更大的空間，并對重點關鍵項目進行了說明，保證了實施的可行性。本撰寫小組親自進行組裝驗證，并測試選擇了2個廠家的設備，分別使用了滑環與無線傳輸，均得到了滿意的結果。隨著安全需求的增加及自動化監控的發展，實時監測螺栓力值可以參照《輪胎壓力檢測系統的設計與仿真》中輪胎監測的方式[4]，嵌入到汽車系統中，為客戶提供更加安全的行車保障。

參考文獻：

[1]電阻應變計;百度百科（網址http：//baike.baidu.com/view/485301.html）;2008-04-20[Z].陜西省名牌產品年鑒. 2013.

[2]一種便攜式靜態電阻應變儀201920069261.7.江蘇創匯電氣科技有限公司;實用新型專利;2019-01-14 00：00：00.0000000.

[3]應變膠粘劑;百度百科（網址：http：//baike.baidu.com/view/21615899.html）;2019-08-20.

[4]梁東云，楊琳，吳曉云，孫皓楠.輪胎壓力檢測系統的設計與仿真[J].系統仿真技術，2020.