爬爬网-零部件：浅析车轮螺栓夹紧力的影响因素
【爬爬网-零部件】车轮是一辆车必不可少的重要部件，车轮的好坏，包括车轮质量及其安装会直接影响汽车的性能及其安全。有新闻报道称一辆货车的车轮在行驶过程中飞出致人死亡事件。某车型在开发试验过程中，时有车轮螺栓松动以及断裂事件的发生。分析这些事件后，对于螺栓松动的直接原因都是车轮螺纹接头夹紧力不足; 对于螺栓断裂的原因大都由疲劳引起，而引起疲劳的原因往往也是由于螺栓预紧力不足，导致螺栓受外部变载荷过大，从而引起疲劳断裂。车轮螺纹接头夹紧力可以等效为车轮螺栓的拉伸力。李静等研究了车轮螺栓及车轮螺母的优化设计来解决一些车轮螺栓或螺母在安装过程中发生的一些问题。周华等研究了一种高强度汽车车轮螺栓的异常断裂，发现其原因是热处理工艺不匹配引起的特殊情况。本文将从材料、结构和使用次数等因素来分析它们对车轮螺栓拉伸力的影响。
早期车轮轮毂的材质都是钢铁，随着人们对汽车性能和节能需求的增加，要求减少车轮的重量，轮毂的材质开始发展为铝。由于轮毂材质发生了变化，比如: 铝要比铁材质软，原来的刚制轮毂与钢铁螺栓的摩擦副改变为铝制轮毂与钢铁螺栓的摩擦副。这些变化必然会影响车轮的装配效果，即用于夹紧轮毂、刹车盘和轴承法兰的螺栓拉伸力会受到影响，那么有可能会使车轮螺纹接头的夹紧力不够，而在某些恶劣工况下发生车轮螺栓松动，进而导致螺栓断裂等一系列问题。为了解决这一问题，各大汽车厂商根据各自的条件，都有各自的解决方案。
目前市场上的车轮螺纹接头的结构形式可以按不同的方法分类，若按紧固件与车轮接触面结构分，可分为锥型、球型、平面型，若按紧固件片数分，可分为一片式和两片式。本文将对这几种类型的结构对车轮螺纹接头产生的预紧力的影响进行一些分析和比较。
1 理论分析
在现实世界中任何一个零件的表面都不是 平整的，同样在紧固件与被夹持零件之间的挤压面也不可能是 平整的。因此，虽然理论计算上紧固件对被夹持零件的挤压力不会超过零件的抗压强度，但是在刚安装好紧固件时，被夹持零件( 对于车轮螺纹接头来说，这里比较重要的就是轮毂) 挤压面的局部区域就会出现超过材料屈服强度，使材料受挤压发生长久变形，从而使螺栓的拉伸量缩短，螺栓的拉伸力减小，这种现象属于短期松弛中的一种，本文称之为下陷松弛。
对于锥形结构，这种下陷松弛现象就会有所加剧。以锥形结构为例，假如在零件表面上有给定量的压缩变形e，那么在紧固件的轴线方向上产生的松弛则会被放大，具体如下
r = e/sin θ( 1)
式中，e 为零件表面上的压缩变形量( mm) ; r 为导致紧固件轴向上的松弛量( mm) ; θ 为锥型角的一半( 度) 。对于球型结构就会好些，而对于平面结构就不会有放大作用了。因此，对于锥型结构，在更换轮毂材料的时候需要在设计中应加以考虑。
汽车厂商们在更换轮毂材料为铝材时还会遇到的一个问题便是由于材料的变化导致紧固件与轮毂之间的摩擦副的变化，相应的摩擦因数也就会发生变化。一般认为钢与钢的摩擦因数会小于钢与铝的摩擦因数，那么在相同的安装扭矩下，产生的螺栓拉伸力就会变小，这会影响车轮螺纹接头的夹紧性能。而且钢与铝的摩擦因数离散度一般会比钢与钢的摩擦因数离散度大，这就会影响螺栓拉伸力的一致性。因此，就出现了二片式的紧固件，其重要的作用之一就是为了能有效控制摩擦因数。
由上分析可知，在钢制轮毂发展为铝制轮毂时会出现两个重要的问题，其一就是短期松弛可能会加剧，对于锥型结构来说尤其突出; 其二就是摩擦因数的控制会变得更加困难。后文将通过一些试验来进行分析。
2 试验分析
由前文理论分析的结果，下面将根据研究的影响因素( 轮毂是否第一次使用、轮毂材料、接触面结构、紧固件是否两片式) 进行分类试验分析。本文采用的试验方法是利用超声波的方法来测量以一定扭矩安装的螺栓上产生的拉伸力，用螺栓的拉伸力作为评价车轮螺纹接头特性的一个指标。在下文中以螺栓拉伸力试验来统称这个试验方法。
2. 1 钢制和铝制轮毂对比试验
选择某车型轮毂: 一种是钢制，另一种是铝制，现对这两种轮毂进行螺栓拉伸力试验。
钢制轮毂的螺栓拉伸力平均值为39. 5 kn，铝制轮毂的螺栓拉伸力为31. 3 kn，由此可知与车轮螺栓相配的摩擦副，钢制轮毂的摩擦因数要比铝制轮毂的摩擦因数要相对小些，铝制轮毂产生的螺栓拉伸力会小些，在车轮螺栓的安装扭矩上需要加以注意。若定义离散度为标准偏差除以平均值，与车轮螺栓相配的摩擦副，钢制轮毂产生的螺栓拉伸力离散度( 16. 7%) 要比铝制轮毂产生的螺栓拉伸力离散度( 19. 9%) 要小。
2. 2 新轮毂与使用过的轮毂的对比试验
选择某车型铝制轮毂进行螺栓拉伸力试验，将新轮毂按扭矩规范( 115 nm) 安装两次，测量刚安装完毕的螺栓初始拉伸力和安装完毕24 小时的螺栓拉伸力。
第一次使用轮毂的螺栓拉伸力衰减率为6. 7%，第二次使用轮毂的螺栓拉伸力衰减率为4. 3%，重复使用轮毂可使车轮螺栓拉伸力衰减情况趋好。
2. 3 锥型、球型、平面型的对比试验
分别选择锥形、球型、平面型的车轮螺纹接头作为试验对像，轮毂材质均为铝制，进行螺栓拉伸力试验( 安装扭矩115 nm)。
锥型、球型、平面型这三种结构形式的螺栓拉伸力衰减率较差的是锥型结构，平均的衰减率为10. 2%; 按3. 1 定义的离散度，那么其初始拉伸力的离散度为15. 7%也是这三种结构中较差的一种。因此，我们应尽量避免使用这种锥形结构。
2. 4 紧固件一片式与两片式的对比试验
选择某车型铝制轮毂，分别使用一片式的紧固件和两片式的紧固件进行螺栓拉伸力对比试验。
一片式产生的螺栓拉伸力离散度为16. 2%远大于两片式的离散度5. 0%。而且在铝制轮毂上使用两片式紧固件产生的拉伸力大于一片式紧固件。由此可知采用两片式的紧固件在控制摩擦系数上要优于一片式。
3 结论
综上所述，本文通过理论分析和试验分析可以得到如下一般性的结论:
1) 轮毂由钢制改为铝制会带来螺栓拉伸力减小和离散度增大的风险，应予以重视。
2) 铝制轮毂在 使用时的螺栓拉伸力衰减会比较明显。
3) 轮毂与紧固件的接触面结构采用锥形设计时，会使螺栓拉伸力的衰减率增大，而且螺栓拉伸力的离散度也会增大，应尽量避免使用这种结构类型。
4) 在紧固件类型的选择上，两片式的紧固件在控制产生的螺栓拉伸力离散度及大小上优于一片式的紧固件。
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