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車輪螺母，如何設計裝配扭矩？

瀏覽次數：964 發布時間：2023-12-07

輪胎、輪輞與輪輻統稱為車輪，車輪不僅對汽車的行駛性能有重要影響，而且對行駛安全性有最直接的影響。在日常的汽車使用中，會聽到說某個汽車的輪子都飛出去了的事故，來描述汽車質量的低下或者車輛安全事故的嚴重性。


輪輻是輪輞與輪轂的連接件，輻板式輪輻通過它的可定心的緊固孔與輪轂連接。轎車和小型貨車通常以60°錐角的螺母座定心，在螺母上施加扭矩，將輪輻和輪轂連接在一起。


今天，從整車數據出發，以后車輪為例，說明車輪螺母的擰緊力矩的開發和計算。  


01

計算需要的相關參數


02


計算外部工作負載

在計算車輪安裝扭矩時，需要考慮下面三個工作作用力，其中沖擊力FS和制動力FX是車輪和制動盤分界面的動態橫向力FQ，車輪轉向時的側向力是螺栓所受的軸向力FA。沖擊力FS和制動力FX有設計工況和極限工況。


a.車輪抱死的極限地面制動力

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為了求得螺栓抵抗車輪抱死的制動力必須提供的摩擦負載FX1，以車輪中心為旋轉點的扭矩等式如下：           

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得到， 

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b.不發生車輪抱死的制動力矩是由Fu= zMg決定的，當z≤0.5，覆蓋了車輛99.98%的制動減速度。

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為了求得螺栓抵抗車輪抱死的制動力必須提供的摩擦負載FX2，以車輪中心為旋轉點的扭矩等式如下：

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得到：

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c.后輪最大垂直負載-車輪沖擊力

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k=2.5是汽車過載系數。

d.車輪和制動盤分界面的動態橫向力

1）極限工況：

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2）設計工況：

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e.當車輪以最大轉向加速度a=1.2g轉向時，車輪受到的最大側向力

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f.車輛的側向加速度在絕大多數的使用工況都小于0.3g， 以a=0.5g計算車輪受到的設計側向力

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03


單個螺栓所受的橫向載荷和軸向載荷

a.極限工況下單個螺栓所受的橫荷:

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設計工況下單個螺栓所受的橫向荷：

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b.假設最下方螺栓所受的拉力為側向力的一半,單個螺栓所受極限工況的軸向載荷：

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設計工況的軸向載荷：

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04


設計工況下單個螺栓傳遞橫向載荷所需要的螺栓軸向力

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05


螺栓的裝配預載荷

在VDI2230中，螺栓的最小裝配預載荷公式是：

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這個公式是VDI2230中給出的理論公式，實踐中，因為是在常溫的工作環境我們沒有計算 Δ FVth，計算Φ和FZ涉及到求被連接件的剛度，計算復雜，而且這兩個值比較小，并且一正一負可以互相抵消一部分，對計算結果影響有限。我們使用計算螺栓最小夾緊力 ：

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06


螺母的擰緊扭矩

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a.螺母的錐面摩擦扭矩

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b.螺母內螺紋處的扭矩

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c.螺母的擰緊扭矩

 螺母最小扭矩：

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考慮車輪和輪轂接觸面的由于壓陷和松弛而造成的預載損失，螺栓和螺母的摩擦系數的范圍是0.12~0.18，M14*15配對螺栓的利用率，將安裝扭矩定為：M=180±10Nm。

07


極限工況下對螺栓的校核

a.在小概率的車輪抱死和車輪沖擊力最大的極限工況下,單個螺栓所受的橫向在荷FKmax=11.578KN，當M=170Nm，μ=0.18，螺栓軸力FV=49KN時，單個螺栓提供的摩擦力F'K=0.15*48=7.2KN是不能抵抗橫向在荷FKmax的。這時就產生了過載，外載荷克服了接合面上的靜態摩擦，可能會導致螺栓受到剪切力。需要校核螺栓的剪切應力。


接合面上的螺栓截面積

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螺栓的剪切應力遠遠小于螺栓的剪切強度τB=0.6Rm=600Mpa,所以極限狀況發生時，螺栓不會被剪斷。


b.對于車輪以最大轉向加速度a=1.2g轉向時帶來的最大螺栓軸向力FAmax=6.563KN，要考慮當M=190Nm，m=0.12，螺栓軸力FV=79.4KN時螺栓的拉應力要小于抗拉強度。

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σmax<σs=0.9Rm=900Mpa，這種極限工況下螺栓不會屈服。


c.對車輪抱死，車輪沖擊力達到最大，車輛以最大加速度a=1.2g轉向這種最惡劣工況校核，螺栓的當量應力：

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σred<σs=0.9Rm=900Mpa，最惡劣的極限工況下螺栓不會屈服。


對于車輪螺栓螺母的擰緊力矩，合理取得設計工況是最關鍵的一個步驟，否則會造成螺栓螺母的規格過大，或者太小的規格造成斷裂風險。對于極小概率的工況，有滑移但不剪斷螺栓是允許的，但不允許滑移頻繁產生。雖然極限工況是小概率事件，發生的幾率極低，但螺栓不斷裂保證車輛安全是必要的。