曹勇，張健

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201288)

0 引言

車輪系統(tǒng)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(zhuǎn)向力、驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，而車輪緊固件是連接車輪系統(tǒng)和車輛的關(guān)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(shè)計(jì)或工藝控制上不合理，車輪將會(huì)在用戶使用過程中出現(xiàn)松動(dòng)、抖動(dòng)、甚至車輪松脫現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)生重大安全事故。因此，研究車輛緊固件的合理設(shè)計(jì)和工藝的有效控制非常關(guān)鍵和必要。目前對(duì)緊固件的研究與分析，主要側(cè)重于對(duì)首次使用的緊固件進(jìn)行分析[1]。然而對(duì)于車輪緊固件來說，由于幾乎所有售后維修保養(yǎng)都需要拆裝該緊固件，所以反復(fù)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(guān)注和進(jìn)行研究。

本文作者針對(duì)車輪緊固件的原理和性能衰減原因進(jìn)行分析，通過工程實(shí)例對(duì)車輪緊固件反復(fù)松緊后的夾緊力進(jìn)行了分析，從而提出了設(shè)計(jì)和工藝控制上的改進(jìn)方向。

1 車輪緊固件原理

車輪系統(tǒng)通過緊固件將車輪和制動(dòng)盤連接，來傳遞行駛中需要的扭矩。在裝配該緊固件時(shí)，包括以下3個(gè)重要參數(shù)。

1.1 動(dòng)態(tài)扭矩

動(dòng)態(tài)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(dòng)力工具施加得到動(dòng)態(tài)扭矩，動(dòng)態(tài)扭矩是在擰緊過程中測量的，在扭矩停止施載后實(shí)際扭矩會(huì)即刻發(fā)生變化。

1.2 靜態(tài)扭矩

緊固件被緊固好之后，將其在擰緊方向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的瞬間所需要的扭矩稱為靜態(tài)扭矩，靜態(tài)扭矩是在緊固之后測量的。在實(shí)際生產(chǎn)、使用過程中，靜態(tài)扭矩都會(huì)有一定程度的衰減。靜態(tài)扭矩衰減不能完全被避免，只能通過對(duì)各種影響因素的控制和優(yōu)化來改善衰減狀況，控制的目標(biāo)是確保扭矩衰減后的夾緊力不低于設(shè)計(jì)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(shí)際操作過程中，雖然動(dòng)態(tài)扭矩甚至靜態(tài)扭矩達(dá)到要求，但是由于被緊固件的摩擦因數(shù)和表面處理不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致被緊固件之間的夾緊力出現(xiàn)較大波動(dòng)，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(duì)應(yīng)的軸力；P為螺距；D2為中徑；μG為螺紋摩擦因數(shù)；DKm為有效直徑；μK為螺母端部摩擦因數(shù)。

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(shù)有關(guān)。文中的研究將圍繞夾緊力及其影響因素進(jìn)行討論。

2 夾緊力衰減原因

從式(1)看出導(dǎo)致夾緊力衰減的因素有很多，主要從首次緊固和反復(fù)裝卸兩方面進(jìn)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(shí)，會(huì)導(dǎo)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(shí)，還會(huì)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(dǎo)致塑性變形、軸向扭矩的釋放，從而導(dǎo)致軸向夾緊力的減少[3]。

2.1.2 摩擦因數(shù)選擇不當(dāng)

摩擦因數(shù)是緊固件的重要參數(shù)，直接影響預(yù)緊扭矩的保持性能和螺栓軸向預(yù)緊力的大小[4]。從式(1)可看出，在規(guī)定的緊固扭矩下，螺紋摩擦因數(shù)和螺母端面摩擦因數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致夾緊力的減少。因此，如果摩擦因數(shù)選擇不當(dāng)或控制不穩(wěn)定，就會(huì)導(dǎo)致夾緊力的減少。

2.1.3 被連接件產(chǎn)生塑性變形

如果被連接件選材不當(dāng)，導(dǎo)致塑性變形，則會(huì)出現(xiàn)扭矩的釋放，從而在外力作用下會(huì)加速扭矩衰減程度，導(dǎo)致夾緊力的減少。

2.2 反復(fù)裝卸后導(dǎo)致的接觸面變化

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

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

3 反復(fù)松緊后緊固件的夾緊力試驗(yàn)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(guān)系，以分析確認(rèn)扭矩和夾緊力是否滿足設(shè)計(jì)或使用要求。文中考核反復(fù)松緊后緊固件的夾緊力，所以需要測量反復(fù)松緊后緊固件夾緊力的衰減程度?；诖诵枨?，本文作者介紹一種能便捷地考核反復(fù)松緊后車輪緊固件夾緊力的試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)在針對(duì)車輪緊固件的專用設(shè)備上進(jìn)行，可測量其扭矩和夾緊力隨松緊次數(shù)變化的關(guān)系曲線。

試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，該設(shè)備包括測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分，測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括可以松緊螺母的扭轉(zhuǎn)電機(jī)和可以安裝車輪及其緊固件的夾持機(jī)構(gòu)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括安裝在扭轉(zhuǎn)電機(jī)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(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)前，將車輪、螺栓及螺母按照要求安裝在夾持機(jī)構(gòu)上，然后啟動(dòng)扭轉(zhuǎn)電機(jī)，按照5 圈/min的轉(zhuǎn)速擰緊螺母到扭矩為140 N·m時(shí)停止，數(shù)采系統(tǒng)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(fù)上述步驟24次，獲得25次松緊所對(duì)應(yīng)的夾緊力數(shù)據(jù)，以模擬車主在最苛刻的條件下反復(fù)松緊后，車輪與制動(dòng)盤之間夾緊力隨松緊次數(shù)的關(guān)系曲線。

試驗(yàn)后，獲取每次車輪與制動(dòng)盤的夾緊力，并繪制和松緊次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖2所示。一般設(shè)計(jì)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(fù)松緊后緊固件的夾緊力曲線

此試驗(yàn)為多零件組合成的系統(tǒng)試驗(yàn)，考核多個(gè)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(xiàng)性能不滿足要求，都會(huì)導(dǎo)致整體性能的逐漸變差，即該曲線后端滿足不了要求。

在實(shí)際工程開發(fā)過程中，眾多因素會(huì)導(dǎo)致該性能的降低，本文作者僅從車輪螺母座角度來對(duì)此進(jìn)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(fā)要求，車輪需要和整車使用的螺母螺栓配合，進(jìn)行反復(fù)松緊后的扭矩與夾緊力試驗(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)后得出的試驗(yàn)結(jié)果曲線可知，車輪緊固件首次使用時(shí)可以提供的有效夾緊力遠(yuǎn)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(shè)計(jì)要求。夾緊力與松緊次數(shù)的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 某鋼制車輪夾緊力與松緊次數(shù)的關(guān)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(dāng)極端配合出現(xiàn)時(shí)，例如螺母錐角為60.5°而螺母座錐角為59°時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不完全匹配，錐面接觸變成線接觸，導(dǎo)致螺母座和螺母的摩擦扭矩變大和不穩(wěn)定。從理論上考慮，期望二者完全配合。但結(jié)合成本因素，公差帶越小，所需費(fèi)用越高，所以改進(jìn)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(fā)的實(shí)際情況，盡量避免設(shè)計(jì)更改，本文作者僅從工藝角度對(duì)螺母座剛度進(jìn)行優(yōu)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(yù)成型高度

增加拉伸工序和預(yù)成型工序的高度可以增加螺母座區(qū)域材料的流動(dòng)，材料在流動(dòng)過程中產(chǎn)生加工硬化，材料性能提高。同時(shí)流入螺母座區(qū)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(yù)成型示意如圖7所示。

圖7 螺母座預(yù)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(yù)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(diào)整螺孔精整擠工序

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

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上面的改進(jìn)方案進(jìn)行制樣并重新進(jìn)行松脫試驗(yàn)后，結(jié)果如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后夾緊力與松緊次數(shù)的關(guān)系

對(duì)該結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)以下幾點(diǎn)：

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

(2)與改進(jìn)前的試驗(yàn)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(wěn)定。

(3)改進(jìn)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(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

車輪螺母松脫試驗(yàn)?zāi)軌蛴行M客戶實(shí)際使用情況，即能夠在反復(fù)松緊車輪緊固件后，檢測出車輪與制動(dòng)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(jìn)行改進(jìn)，可以改善反復(fù)松緊后車輪緊固件的夾緊力衰減情況，從而滿足試驗(yàn)要求。