劉增杰 周杰 杜青春 吳坤鵬

摘要： 在測(cè)試技術(shù)飛速發(fā)展的今天，軸力監(jiān)測(cè)在失效預(yù)防中發(fā)揮的作用越來越重要，伴隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，無線傳輸技術(shù)的成熟，綜合技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮其作用。本文主要對(duì)汽車車輪用測(cè)試應(yīng)力螺栓設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，詳細(xì)說明了軸力螺栓的制作與數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方案，并對(duì)測(cè)試意義進(jìn)行了評(píng)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(guān)鍵詞： 汽車車輪用螺栓;設(shè)計(jì)制作;應(yīng)力測(cè)試

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

中圖分類號(hào)：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0029-02

0? 引言

螺栓緊固件大家都熟悉，日常機(jī)械中也比較常用，在航空航天、汽車交通、通信等領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。螺栓是緊固連接零件，在日常使用中會(huì)受到拉力與壓力，還有安裝時(shí)螺栓受到禁固力，如果設(shè)計(jì)不完善或出現(xiàn)過載會(huì)導(dǎo)致螺栓斷裂連接失效。在汽車部件應(yīng)用中涉及到人身安全的領(lǐng)域，出現(xiàn)事故后會(huì)造成的人身財(cái)產(chǎn)損失。直接對(duì)螺栓進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)與控制受到的軸向應(yīng)力，對(duì)與失效前控制降低損失有相當(dāng)?shù)闹匾囊饬x。螺栓軸向力雖然存在通用計(jì)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(jì)算值存在一定的誤差。對(duì)相應(yīng)扭矩下的螺栓軸向力進(jìn)行測(cè)試可以直接得到螺栓此時(shí)的應(yīng)力值，對(duì)軸向力進(jìn)行監(jiān)控可以提前監(jiān)測(cè)到異常，及時(shí)更換新螺栓等方式進(jìn)行處理，避免損失。

1? 轎車用車輪軸力螺栓的設(shè)計(jì)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(chǎng)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(guī)格，此外還包括螺距1.75mm、2mm、2.5mm等特殊規(guī)格。我國(guó)乘用車市場(chǎng)中常用螺栓規(guī)格一般為M12*1.25、M12*1.5、M14*1.5。

1.1.2 軸力傳感器也是應(yīng)變計(jì)，原理為當(dāng)粘貼在結(jié)構(gòu)物體上的應(yīng)變計(jì)感受到結(jié)構(gòu)物體產(chǎn)生變形時(shí)，應(yīng)變計(jì)同步進(jìn)行變形，應(yīng)變計(jì)內(nèi)部的金屬電阻在變形時(shí)，電阻產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過檢測(cè)電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而通過應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力。應(yīng)變計(jì)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(hù)層：起絕緣作用;保護(hù)層起保護(hù)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(cè)量導(dǎo)線的作用。目前市場(chǎng)上品牌與規(guī)格型號(hào)繁多，柵長(zhǎng)或者面積從幾毫米到幾十厘米，應(yīng)變計(jì)電阻值：60、120、350、500、1000歐姆等，應(yīng)變計(jì)規(guī)格單軸、雙軸、三軸、四軸、單軸5片、雙軸5片等，根據(jù)用途分為水下、耐高溫、木材、混凝土、螺栓等。

1.1.3 應(yīng)變分析儀。應(yīng)變儀確切名稱為電阻應(yīng)變儀[2]，是利用金屬的應(yīng)變-電阻效應(yīng)制成的電阻應(yīng)變儀，通過測(cè)量電阻變化，間接測(cè)量應(yīng)力。電阻應(yīng)變儀實(shí)質(zhì)上是測(cè)量電阻變化，但用應(yīng)變刻度讀數(shù)顯示，一開始的電阻應(yīng)變儀一般用指示電表指示或用記錄儀記錄。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字式應(yīng)變儀，它直接用數(shù)字顯示應(yīng)變，可進(jìn)行多點(diǎn)應(yīng)變快速測(cè)量，對(duì)于隨時(shí)間變化很快的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)，發(fā)展了數(shù)據(jù)采集裝置和系統(tǒng)，它由計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳送、儲(chǔ)存和處理。目前有無線傳輸與有線傳輸，試用于不同的場(chǎng)景，動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)需要采用無線傳輸或者滑環(huán)方式。

1.1.4 應(yīng)變膠粘劑[3]，俗稱為膠水?？梢园褢?yīng)變計(jì)粘接在試件上，保證傳遞一致。應(yīng)變膠粘劑應(yīng)有較好的粘接性能、一定的線膨脹系數(shù)、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(huán)氧型應(yīng)變膠;在接近絕對(duì)零度（-273攝氏度）的超低溫下仍有延伸率、在260攝氏度時(shí)可連續(xù)工作的酚醛-環(huán)氧型應(yīng)變膠;可在-269～+280攝氏度以及核輻照條件下使用，可用于大應(yīng)變測(cè)量的聚酰亞胺應(yīng)變膠;適用于大應(yīng)變（即塑性應(yīng)變）測(cè)量，應(yīng)變范圍可達(dá)10-15的合成橡膠類應(yīng)變膠;可用于400攝氏度下高溫應(yīng)變測(cè)量，以有機(jī)硅加入無機(jī)填料為基料的耐高溫應(yīng)變膠;可以瞬間或快速枯合的α-氰基丙烯酸酷應(yīng)變膠或聚醋應(yīng)變膠等。各種應(yīng)變膠根據(jù)使用條件。用于制作和粘貼電阻應(yīng)變片，是各種應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量和傳感器制造中的關(guān)鍵材料之一廣泛用于機(jī)械、航空、化工、原子能、商業(yè)等部門的測(cè)量、控制和稱重工作自動(dòng)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(duì)螺栓采用超聲波進(jìn)行清洗，清洗時(shí)可以適當(dāng)加入清洗液，多次清洗到目視無雜質(zhì)為止，然后使用高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行烘干。考慮螺栓強(qiáng)度原因，應(yīng)變計(jì)傳感器選擇Φ1.9mm應(yīng)變儀傳感器或者低于Φ2mm，不限定品牌，選擇應(yīng)力測(cè)試儀包含的規(guī)格。應(yīng)變計(jì)使用使用前進(jìn)行阻值測(cè)量與外觀檢查，采用目視進(jìn)行或者借助顯微鏡等儀器進(jìn)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(cè)量四分之一橋測(cè)量電阻，檢查是否有斷路、短路，電阻值是否一致。

②根據(jù)螺栓使用部位決定應(yīng)變計(jì)粘貼的深度，保證應(yīng)變計(jì)敏感柵的中心位置在螺栓受力的中心，同時(shí)在應(yīng)變計(jì)上進(jìn)行標(biāo)記，方便粘貼時(shí)進(jìn)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(jù)膠水粘稠度選擇注射器針頭的粗細(xì)，先加注膠水到孔的底部，一邊加注一邊往外移動(dòng)，保證膠水及時(shí)的補(bǔ)充空余部位，待孔內(nèi)全部是膠水后，壓入應(yīng)變計(jì)傳感器，應(yīng)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(yīng)變計(jì)標(biāo)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(shè)備中進(jìn)行抽真空，以便排除膠水中的空氣。

④根據(jù)膠水的要求進(jìn)行固化，室溫或者高溫箱處理。膠水粘結(jié)劑初步固化后，即可進(jìn)行測(cè)量線的焊接工作。應(yīng)變計(jì)和測(cè)量線間的連接最好通過接線端子，焊點(diǎn)確保無虛焊。測(cè)量線最好與試件綁扎固定，測(cè)量線兩端根據(jù)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)作好標(biāo)記。結(jié)構(gòu)如圖1所示。[2]

⑤對(duì)貼片進(jìn)行檢查，查看外觀、測(cè)量電阻。測(cè)量電阻值可以檢查有無斷路、回路、粘貼的狀態(tài)。

⑥對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)螺栓規(guī)格制作對(duì)應(yīng)夾具，讓螺栓自由受力，校準(zhǔn)設(shè)備可以采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。得出校準(zhǔn)系數(shù)及評(píng)價(jià)線性關(guān)系，軸力螺栓制作完成。校準(zhǔn)曲線如圖2所示。

2? 軸力測(cè)試

①把軸力螺栓安裝到測(cè)試設(shè)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(duì)所有螺栓進(jìn)行預(yù)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(yīng)變分析儀的傳輸或者滑環(huán)部分，需要注意線路的對(duì)應(yīng)性，啟動(dòng)應(yīng)變測(cè)試儀逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試連接，確認(rèn)信號(hào)是否正常，確認(rèn)無誤后手動(dòng)緩慢試運(yùn)行查看設(shè)備狀態(tài)，確認(rèn)全部正常時(shí)開啟測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，采用無線傳輸?shù)脑O(shè)備需要保證距離在范圍內(nèi)，保證信號(hào)強(qiáng)度足夠，具體可以查看應(yīng)變儀說明書，不同廠家會(huì)有區(qū)別。

③數(shù)據(jù)的收集，從應(yīng)變儀中實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，不僅可以收集恒定狀態(tài)的數(shù)據(jù)，也可以收集各種變化條件下的數(shù)值，還可以收集螺栓斷裂前極限應(yīng)力數(shù)據(jù)。數(shù)值分析可以評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)合理性，極限狀態(tài)下的數(shù)值可以作為安全限值進(jìn)行監(jiān)控管理。如圖3所示[3]。

3? 軸力測(cè)試應(yīng)用

①用于新研發(fā)車輪內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，軸力測(cè)試值評(píng)估產(chǎn)品裝配尺寸設(shè)計(jì)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(cè)試值也可以反饋出裝配尺寸狀態(tài)。②用于新開發(fā)車輛路試中的數(shù)據(jù)收集（實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)），可以分析出整個(gè)道路循環(huán)中各種路段車輪螺栓受力狀態(tài)，根據(jù)受力狀態(tài)對(duì)螺栓的選擇合理性進(jìn)行評(píng)估，并修訂評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)選擇標(biāo)準(zhǔn)，選擇合理成本的物料。③日常車輛行駛中監(jiān)控，日常行車中實(shí)時(shí)監(jiān)控螺栓力值，出現(xiàn)一個(gè)螺栓異常斷裂時(shí)能及時(shí)出現(xiàn)報(bào)警。對(duì)車輪幾個(gè)螺栓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)有一個(gè)螺栓在斷裂前或者出現(xiàn)裂紋后，對(duì)應(yīng)的軸力會(huì)出現(xiàn)異常變化，出現(xiàn)異常后可以針對(duì)性進(jìn)行檢查更換，避免引發(fā)多個(gè)螺栓斷裂，最終車輪飛出發(fā)生安全事故。

4? 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)詳細(xì)說明了軸力螺栓的設(shè)計(jì)制作過程，可以根據(jù)需要選擇適合品牌的物料，給使用者預(yù)留了更大的空間，并對(duì)重點(diǎn)關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行了說明，保證了實(shí)施的可行性。本撰寫小組親自進(jìn)行組裝驗(yàn)證，并測(cè)試選擇了2個(gè)廠家的設(shè)備，分別使用了滑環(huán)與無線傳輸，均得到了滿意的結(jié)果。隨著安全需求的增加及自動(dòng)化監(jiān)控的發(fā)展，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓力值可以參照《輪胎壓力檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真》中輪胎監(jiān)測(cè)的方式[4]，嵌入到汽車系統(tǒng)中，為客戶提供更加安全的行車保障。

參考文獻(xiàn)：

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[2]一種便攜式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀201920069261.7.江蘇創(chuàng)匯電氣科技有限公司;實(shí)用新型專利;2019-01-14 00：00：00.0000000.

[3]應(yīng)變膠粘劑;百度百科（網(wǎng)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2020.