李祥喜

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230001）

前言

輪胎螺栓是后橋上一個十分重要的緊固件，其功用是用來固聯(lián)輪轂與輪盤，通過車輪螺母將車輪總成固定在后橋上，使車輪實現(xiàn)承載和傳遞動力的作用。在汽車行駛過程中，如果出現(xiàn)輪胎螺栓松動乃至斷裂，將嚴(yán)重危及車輛的行駛安全。

某皮卡強化路試驗后，發(fā)生后橋輪胎螺栓斷裂、輪胎脫落的問題。本文通過對輪胎螺栓擰緊力矩的分析，探究后橋輪胎螺栓斷裂故障原因，并提出優(yōu)化措施，為解決類似問題提供一條可參考的途徑。

1 故障車力矩分析

圖1 輪胎螺栓整體分布及載荷圖

本次研究的某皮卡車型配置的車輪為鋁輪，6顆螺栓鉚壓在輪轂上，輪胎螺栓與輪輞不接觸，通過螺母與輪輞的配合錐面提供輪輞的壓緊力，輪胎螺栓整體分布及載荷見圖1。輪胎在倒車制動時后輪單個輪胎的最大制動力矩為 MQ=1200N.m，螺栓軸心線與車輪軸線的半徑為r1=69.85mm。

試驗場反饋，一試驗車（2#）在經(jīng)過搓衣板路后右后輪胎螺栓全部斷裂、右后輪脫落，故障發(fā)生后檢查發(fā)現(xiàn)同批次另外一臺試驗車（1#）也存在輪胎螺栓斷裂問題。接到故障反饋后，立即著手對兩輛試驗車故障車輪、輪胎螺栓進行分析并對其他車輪螺母進行了螺母力矩測試和結(jié)果對比。對比結(jié)果見表1：

表1 故障車其他輪胎和同批次試驗車車輪螺母力矩對比

經(jīng)過觀察輪胎螺栓斷面、輪輞螺栓安裝孔已嚴(yán)重變形，結(jié)合螺母貼合面磨損，斷掉的螺栓帶螺母已非常松動，未動的左后輪扭矩較小的現(xiàn)象，且前期可靠性車輛均未出現(xiàn)該問題，可初步判定故障為車輪螺母松動，無法提供足夠壓緊力，輪輞與制動鼓發(fā)生相對運動，輪胎螺栓受剪切應(yīng)力最終斷裂。初步判定輪胎螺栓安裝扭矩不合理是導(dǎo)致螺栓斷裂的原因。

2 輪胎螺栓設(shè)計校核

2.1 輪胎螺栓、螺母結(jié)構(gòu)

輪轂與螺母的接觸局部細節(jié)尺寸見圖2，支撐面為錐面，輪胎螺栓：M12×1.5×L 10.9級達克羅表面處理，輪胎螺母：M12×1.5 鍍亮鉻，定扭裝配，扭矩要求120±10N.m。

圖2 單個輪轂螺栓連接副剖面圖

2.2 螺栓所需最小夾緊力計算

由圖1所示的輪胎螺栓外載荷及螺栓裝配位置尺寸圖可得：

式中：MQ——輪胎螺栓外載荷

μc——制動鼓與輪輞接觸面摩擦系數(shù)，取值0.25

F1——1點螺栓的緊固軸向力

r1——1點螺栓軸心相對輪輞軸心的扭矩半徑

Ks——考慮接觸面不穩(wěn)定等的可靠性系數(shù)，一般取1.2～1.5

在此連接副中，取值μc=0.25，Ks =1.5時，假定F1= F2=F3=F4=F5=F6

r1=r2=r3= r4= r5=r6=69.85mm，將數(shù)值帶入式1中，可得：

2.3 螺栓所提供最小預(yù)緊力

輪胎螺栓規(guī)格：M12×1.5×46，等級10.9級。支撐面結(jié)構(gòu)見圖2。

螺紋中徑：d2=11.026mm，屈服強度：σ0.2=940MPa，摩擦系數(shù)：螺紋部分μG= 0.15-0.30，（六價黃鋅，不帶摩擦控制潤滑劑），支撐面μk=0.10—0.16，（亮度鉻）。

應(yīng)力截面積：A0=88.1mm2

由上可得支撐面等價扭矩半徑：

當(dāng)μG=0.3，μk=0.16，擰緊力矩MAmin=110N.m時

考慮螺栓安裝后軸向力的衰減，取衰減系數(shù) r=0.7，則FTmin=22.1×0.7=15.47 KN

根據(jù)上述計算可得：

安全系數(shù)小于 1，理論校核不合格，從故障車扭矩測量結(jié)果看輪胎螺栓左后輪扭矩較小，擰緊力矩為120±10N.m，不能提供所需的預(yù)緊力，車輪螺母松動，無法提供足夠壓緊力。

因此需重新計算螺栓合理的擰緊力矩，并用修正后的擰緊力矩重新校核，以判斷現(xiàn)用輪胎螺栓在調(diào)整擰緊力矩后解決螺栓斷裂的問題。

2.4 調(diào)整安裝扭矩后的螺栓設(shè)計校核

螺栓動態(tài)屈服扭矩：螺紋摩擦系數(shù)μG=0.15，μk=0.10時，屈服軸力為：

當(dāng)μG=0.15，μk=0.10時，屈服扭矩為：

調(diào)整后的螺栓擰緊力矩：為保證螺栓擰緊后處在彈性范圍內(nèi)，取安全系數(shù)V=0.8，則MA=193.25×0.8=155 N.m，根據(jù)安裝工具精度修正為145±10 N.m。

修正后的最小預(yù)緊力：

當(dāng)μG=0.3，μk=0.16，擰緊力矩MAmin=135N.m時

考慮螺栓安裝后軸向力的衰減，取衰減系數(shù) r=0.7，則FTmin=27.1×0.7=18.97 KN

根據(jù)上述計算可得：

校核合格，安全系數(shù)大于1。

根據(jù)現(xiàn)用螺栓校核情況，得出以下結(jié)論：

（1）擰緊力矩為120±10N.m時，螺栓力矩校核不合格，；

（2）通過調(diào)整擰緊力矩，安全系數(shù)可達到1.10，校核合格，但螺栓螺紋摩擦系數(shù)0.15-0.30散差太大，現(xiàn)有螺栓廠家不能將摩擦系數(shù)控制在0.15-0.30范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)檢測表如表1所示：檢測結(jié)果分別為0.088、0.094、0.093、0.090，均不在0.15-0.30范圍內(nèi)，無法提供螺栓擰緊所需的預(yù)緊力。

通過與標(biāo)準(zhǔn)件廠家交流，在調(diào)整擰緊力矩的同時，改變螺栓螺紋摩擦系數(shù)，可進一步提高安全系數(shù)，保證螺栓擰緊所需的預(yù)緊力。

表1 摩擦系數(shù)檢測表

通過與標(biāo)準(zhǔn)件廠家交流，在調(diào)整擰緊力矩的同時，改變螺栓螺紋摩擦系數(shù)，可進一步提高安全系數(shù)，保證螺栓擰緊所需的預(yù)緊力。

2.5 修改摩擦系數(shù)后螺栓擰緊力矩計算

螺栓動態(tài)屈服扭矩：

輪胎螺栓規(guī)格：M12×1.5×46,，等級 10.9級。支撐面結(jié)構(gòu)見圖2。

螺紋中徑：d2=11.026mm，屈服強度：σ0.2=940MPa，摩擦系數(shù)：螺紋部分μG= 0.12-0.18，(環(huán)保達克羅，帶摩擦控制潤滑劑頂涂)，支撐面 μk=0.11—0.17，（三價彩鋅+帶潤滑封閉劑）。

應(yīng)力截面積：A0=88.1mm2

由上可得支撐面等價扭矩半徑：

螺紋摩擦系數(shù)μG=0.12，μk=0.11時，屈服軸力為：

當(dāng)μG=0.12，μk=0.11時，屈服扭矩為：

螺栓擰緊力矩：為保證螺栓擰緊后處在彈性范圍內(nèi)，取安全系數(shù)V=0.8，則MA=204×0.8=163 N.m，根據(jù)安裝工具精度修正為155±10 N.m。

修改摩擦系數(shù)后的最小預(yù)緊力：

當(dāng)μG=0.18，μk=0.16，擰緊力矩MAmin=145N.m時

考慮螺栓安裝后軸向力的衰減，取衰減系數(shù) r=0.7，則FTmin=31.6×0.7=28.44 KN

根據(jù)上述計算可得：

安全系數(shù)與調(diào)整力矩后有進一步提高，是以上三種校核結(jié)果中最好狀態(tài)。螺栓擰緊力矩及摩擦系數(shù)修改前后對比見表2：

表2 螺栓擰緊力矩及摩擦系數(shù)修改前后對比

經(jīng)過計算校核，現(xiàn)用螺栓表面摩擦系數(shù)較高，散差大，最小安全系數(shù)為0.90，調(diào)整擰緊力矩為145±10 N.m時，最小安全系數(shù)可增加到1.10。修改螺紋的摩擦系數(shù)后，摩擦系數(shù)降低且散差減小，通過優(yōu)化匹配安裝扭矩，安全系數(shù)最小可達1.29。

但理論校核與實際存在一定差距，理論校核要求上述計算的支撐面摩擦系數(shù)要求接觸面均勻接觸，如定位或尺寸配合問題造成接觸偏心，則摩擦系數(shù)會發(fā)生變化，上述計算考慮的螺栓軸向力衰減系數(shù)為0.7，但擰緊方法和配合尺寸等問題都可能造成軸向力衰減系數(shù)大于這個值，為保證安裝后達到上述的安全系數(shù)，還需要尺寸配合和擰緊過程保證。

因此根據(jù)理論校核結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)件供應(yīng)商的實際經(jīng)驗，可得出現(xiàn)用螺栓擰緊力矩不足，摩擦系數(shù)太高，散差太大。無法提供足夠壓緊力。

可以判定輪胎螺栓擰緊力矩不足，摩擦系數(shù)太高是后橋輪胎螺栓斷裂的主要原因。

3 改進措施

1）更換輪胎螺栓廠家，表面處理改為環(huán)保達克羅，將摩擦系數(shù)修改為0.12-0.18；

2）擰緊力矩由120±10 N.m修改為130±10 N.m。

4 優(yōu)化驗證

1）改進表面處理工藝修改摩擦系數(shù)后，對出廠樣件進行抽檢，螺栓表面硬度、機械性能和螺紋摩擦系數(shù)等全部符合設(shè)計要求。如圖3所示。

圖3 螺紋摩擦系數(shù)檢測

2）擰緊力矩由120±10 N.m修改為130±10 N.m后對新下線車輛車輪螺栓螺栓進行扭矩測量，路試后符合設(shè)計要求（120～140N·m），力矩大都有所增加，未出現(xiàn)螺母松動。改進后的力矩測量值如圖4所示。

整改后在試驗場強化路驗證四臺車，里程都在12000km以上，試驗過程中未出現(xiàn)螺母松動、螺栓斷裂等問題。市場問題報表中，皮卡輪胎螺栓斷裂問題PPM值從改進前的357降為0，整改效果明顯。

圖4 改進后的力矩測量值

5 結(jié)論

經(jīng)過對輪胎螺栓的校核分析，可確定螺栓斷裂的主要原因為（1）螺栓螺紋鍍層摩擦系數(shù)不可控，達不到設(shè)計要求，存在預(yù)緊力不足，通過環(huán)保達克羅表面處理工藝，將摩擦系數(shù)控制在0.12-0.18范圍內(nèi)，使螺紋摩擦系數(shù)可控，提高螺栓的最小安全系數(shù)；（2）輪胎螺栓擰緊力矩不合理，螺栓預(yù)緊力不足，無法提供足夠壓緊力，導(dǎo)致車輪螺母松動，螺栓受剪切力后斷裂，將擰緊力矩修改為130±10 N.m。通過以上兩點修改解決螺栓斷裂問題。

通過本次螺栓斷裂問題的處理，后期輪胎螺栓的開發(fā)過程中應(yīng)重點關(guān)注以下兩點：

（1）螺母擰緊力矩校核計算及力矩確認。

（2）螺栓表面處理方式及摩擦系數(shù)要求。

參考文獻

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[2] GB/T 3098.4 緊固件機械性能.

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