叉車車輪螺栓定位設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

夏柳蔭，許定鋒

（杭州潤(rùn)德車輪制造有限公司，浙江杭州 311407）

0 引言

車輪是通過(guò)螺栓、螺母墊圈等螺紋緊固件與車橋/輪轂連接的。通常采用兩種連接定位方式，一種是螺栓定位，另一種輪轂定位。輪轂與車輪之間所有扭矩（加速和剎車）的傳遞都通過(guò)緊固件的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)。螺栓定位用的螺母有兩種，分別是球面螺母和錐面螺母，此兩種結(jié)構(gòu)的螺母都是通過(guò)螺栓孔上的球面或錐面與螺母的球面或錐面的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖緊連接。而采用平面螺母的輪轂定位方式，此連接靠輪輻的中心孔與輪轂定位用螺母的平面與輪輻的平面鎖緊。

1 螺栓孔故障現(xiàn)象分析

目前國(guó)內(nèi)叉車的保有量在不斷提高，叉車的作業(yè)時(shí)間也在不斷延長(zhǎng)，部分使用時(shí)間在每天20 h 以上。由于部分使用廠家不重視叉車的維護(hù)保養(yǎng)，特別是車輪螺母在使用中沒(méi)有做到按時(shí)鎖緊，產(chǎn)生松動(dòng)從而造成螺栓孔開裂變形。從國(guó)內(nèi)主要叉車生產(chǎn)產(chǎn)家退回的三包件來(lái)看，有50%以上的故障是由螺栓孔問(wèn)題引起的。如螺栓孔變形、開裂，或由此問(wèn)題造成車輪斷裂。開裂的車輪全部采用的是螺栓定位產(chǎn)品，因此分析認(rèn)為這種定位方式存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。螺栓定位方式的螺栓孔上的球面或錐面與螺母的球面或錐面之間的配合公差要求非常高，如有細(xì)小的加工誤差都會(huì)造成配合面產(chǎn)生間隙造成不貼合的現(xiàn)象，從而減小了摩擦力，造成螺母松動(dòng)，引發(fā)一系列質(zhì)量問(wèn)題。采用螺栓定位連接方式對(duì)車輪的安裝要求也較高，如果安裝時(shí)螺母沒(méi)有對(duì)稱均勻擰緊，都有可能造成配合面偏心。配合偏心會(huì)對(duì)螺栓造成較大的扭力，在使用過(guò)程中螺母松退問(wèn)題造成了螺栓斷裂或螺栓孔變形。而叉車中有很多車輪配用的是實(shí)心輪胎，實(shí)心輪胎和充氣輪胎在行駛過(guò)程中對(duì)車輪的緩沖是不一樣的，實(shí)心輪胎會(huì)加速螺母偏心問(wèn)題對(duì)螺栓造成的損傷。而采用輪轂定位的產(chǎn)品，市場(chǎng)反饋的不良現(xiàn)象極少。可見兩種不同的定位方式存在明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。本文通過(guò)FEA 模型——簡(jiǎn)單螺栓連接，分析兩種連接定位方式的區(qū)別。

2 FEA 模型——簡(jiǎn)單螺栓連接方法

2.1 不同螺母定位工裝模型和載荷結(jié)果

通過(guò)建立一個(gè)簡(jiǎn)單的分析模型來(lái)研究?jī)煞N定位方式的區(qū)別，用螺栓將一塊普通的板（輪輻）固定在另一個(gè)板塊（輪轂）上，一種采用平面螺母固定，另一種是球面螺母固定。垂直方向?qū)Π宓拿恳贿吺┘右欢ǖ牧Γ^察固定件和板的應(yīng)力變化，采用平面螺母定位的板沒(méi)有變形，而采用球面螺母定位的板發(fā)生了一定的變形（圖1）。再通過(guò)計(jì)算分析，兩種定位方式的應(yīng)力在螺栓孔中非常相似，但是在螺栓孔四周，特別是球形固定件產(chǎn)生了高拉伸應(yīng)力。

圖1 兩種螺母定位模型施加力后發(fā)生不同變形

2.2 螺栓定位累計(jì)公差效應(yīng)

采用該計(jì)算方式，首先要考慮到每個(gè)部件的公差，要將球面或錐面螺母和輪輻球面或錐面孔間的關(guān)系聯(lián)系起來(lái)。球面孔的位置：0.4 mm，球面螺母的球面部分：0.25 mm（DIN 標(biāo)準(zhǔn)），螺栓的位置：0.3 mm（估算），配合最不理想的情況如圖2 所示，球面孔中心：向上0.2 mm，螺栓中心：向下0.15 mm，螺母偏心度：向下0.125 mm。這些都可能導(dǎo)致螺母下的輻板產(chǎn)生塑性變形（輪輻材料一般比螺母柔軟），變形的后果是降低了螺栓預(yù)緊力和螺栓的使用壽命，還將使螺栓變形彎曲，再次降低螺栓使用壽命，常見的表現(xiàn)為螺栓斷裂、車輪輪輻開裂、螺栓孔球面變形失圓。

圖2 定位配合示意

為了證明螺栓定位累計(jì)公差效應(yīng)，可以將頂板位移0.2 mm（相對(duì)于下面板塊），再用計(jì)算機(jī)模似分析得出位移后螺栓的應(yīng)力變化值（圖3）。通過(guò)分析可知，平面螺母由于存在空隙，位移不影響螺栓，而球形螺母通過(guò)頂板位移進(jìn)一步證明了螺栓定位中的高應(yīng)力問(wèn)題（圖4）。

圖3 螺栓定位累計(jì)公差效應(yīng)

圖4 螺栓預(yù)載荷和頂板位移0.2 mm

通過(guò)兩種不同定位方式模型應(yīng)力分析可以判斷出，采用平面螺母的輪轂定位方式優(yōu)于球面螺母的螺栓定位方式。

3 兩種不同連接定位方式的彎曲疲勞測(cè)試

根據(jù)GB/T 5909—2009《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》，對(duì)兩種使用不同螺母的產(chǎn)品進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)6 萬(wàn)次為合格。

輪輻被連接到試驗(yàn)臺(tái)架上（相當(dāng)于輪轂上），該臺(tái)架適用于輪輻本身旋轉(zhuǎn)的彎曲以模擬來(lái)自側(cè)向載荷的轉(zhuǎn)彎，用來(lái)了解平面螺母與球形螺母的失效模式和區(qū)別。在15679 N·m 試驗(yàn)載荷下對(duì)球面螺母產(chǎn)品完成35376 轉(zhuǎn)后，偏移增量超過(guò)了初始偏移量的15%停機(jī)失效。對(duì)失效件進(jìn)行PT 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)螺栓孔球面出現(xiàn)裂紋，且是多個(gè)螺栓孔出現(xiàn)相同問(wèn)題（圖5）。對(duì)使用平面螺母的產(chǎn)品在相同的試驗(yàn)載荷下完成12 萬(wàn)轉(zhuǎn)后，偏移增量末超過(guò)初始偏移量的15%。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行PT 檢測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不良的質(zhì)量問(wèn)題，測(cè)試結(jié)果合格且超過(guò)2 倍國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，螺栓孔完好（圖6）。

圖5 球面螺母疲勞測(cè)試螺栓孔開裂

圖6 平面螺母疲勞測(cè)試螺栓孔完好

4 組件測(cè)試

4.1 建立測(cè)試輪輞

創(chuàng)建一個(gè)特殊的輪輞，目的是模擬公差組合導(dǎo)致的偏心。3 個(gè)螺栓被定位在分布圓335 mm（螺栓命名為1-5-7），并在安裝過(guò)程中已被用在中心定位，其他7 個(gè)螺栓被定位在分布圓335.2 mm 上，以模擬累計(jì)公差效應(yīng)（命名為2-3-4-6-8-9-10）。其中3 個(gè)用平螺母式H-DIN（命名為2-6-10）固定，2 個(gè)用原來(lái)的單片螺母固定（命名為4-9），2 個(gè)（命名為3-8）用扁平螺母加球形墊圈（B 型DIN）固定，具體數(shù)據(jù)見圖7。實(shí)施測(cè)試和在所有螺母上實(shí)時(shí)測(cè)量扭矩（在前5000 次循環(huán)后重新擰緊和不再進(jìn)行），更換壞掉的螺栓并繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直至使用平頭螺母的螺栓出現(xiàn)第一次故障為止。由于轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量和軸撓度引起的離心力產(chǎn)生一個(gè)通過(guò)連接輪轂傳遞到輻板的旋轉(zhuǎn)彎矩，模擬車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到的循環(huán)彎矩。

圖7 不同螺母定位分布

4.2 測(cè)試建立得出不同數(shù)值

測(cè)試中螺栓失效數(shù)值見圖8，螺栓斷裂面見圖9。從組件測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)使用平面螺母時(shí)，壽命比球形螺母長(zhǎng)1.9～3.5 倍，因此推薦使用輪轂定位，即平面螺母/墊圈定位方式。

圖8 螺栓失效數(shù)值

圖9 螺栓斷裂面

5 結(jié)論

從模型分析和實(shí)物測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，在設(shè)計(jì)和制造中采用螺栓球面螺母定位的產(chǎn)品，主要靠螺母的球形座和螺栓孔的球面貼合鎖緊，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中兩者之間做不到100%同心，即便各個(gè)部件都做到各自的最小公差范圍，也能在螺栓中產(chǎn)生顯著的彎矩應(yīng)力，而這些彎曲應(yīng)力會(huì)引起螺栓的早期疲勞失效。由于螺母和輪輻的材料硬度及熱處理工藝不同，扭矩也會(huì)導(dǎo)致輪輻在重力作用下產(chǎn)生壓痕，從而導(dǎo)致扭矩松弛和降低螺栓和輪輻的壽命。球形座也會(huì)在螺栓孔球面周圍產(chǎn)生高拉伸應(yīng)力，對(duì)輪輻的疲勞性能有一定的負(fù)面影響。從以上分析和實(shí)物試驗(yàn)以及市場(chǎng)反饋的不良現(xiàn)象可以得出，螺栓定位不是將車輪固定在車橋上的最好方法，此方法對(duì)螺栓和螺栓孔有一定的不良影響。更好的方法應(yīng)是輪轂定位，此方法對(duì)螺栓和螺栓孔的受力影響最小。實(shí)際生產(chǎn)中，各大叉車主機(jī)廠為了解決螺栓孔開裂和螺栓斷裂的問(wèn)題，大噸位叉車（8～10 t）已經(jīng)開始使用輪轂定位方式，采用平面螺母固定在車橋上的方法，減少了車輪與輪轂相連產(chǎn)生的諸多問(wèn)題。