程 鵬，左曙光 Cheng Peng，Zuo Shuguang

鋁合金車輪與鋼制車輪螺栓接頭對(duì)比試驗(yàn)研究

程 鵬，左曙光
Cheng Peng，Zuo Shuguang

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

介紹了車輪接頭的摩擦系數(shù)試驗(yàn)和接頭試驗(yàn)的基本試驗(yàn)方法、試驗(yàn)設(shè)備，并對(duì)鋁合金車輪和鋼制車輪接頭進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。得到了鋁合金車輪和鋼制車輪在配合面處摩擦系數(shù)的差異，以及在獲得相同初始夾緊力的情況下，鋁合金車輪所需要的初始擰緊扭矩比鋼制車輪小?？紤]車輪接頭螺栓扭矩的保持能力，車輛應(yīng)該盡可能少地采用鋼制車輪。

鋁合金車輪；鋼制車輪；車輪接頭；摩擦系數(shù)試驗(yàn)；接頭試驗(yàn)

0 引 言

現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展至今，其各組成部分和零部件都經(jīng)歷了許多次的技術(shù)變革。消費(fèi)者對(duì)人身安全越來(lái)越重視，所以對(duì)汽車的行駛安全性提出了越來(lái)越高的要求，其中包括汽車車輪接頭的安全性。

汽車車輪接頭是由汽車車輪、制動(dòng)盤、軸承法蘭和車輪緊固件等零部件構(gòu)成的緊固副[1]。車輪緊固件通常采用車輪螺栓或者車輪螺母[2]，而車輪通常為鋁合金材質(zhì)或鋼制[3]。車輪接頭的緊固效果對(duì)車輪接頭的安全性有重要的影響[4-5]，通過(guò)摩擦系數(shù)試驗(yàn)和接頭試驗(yàn)等試驗(yàn)分析方式，對(duì)比研究鋁合金車輪與鋼制車輪在摩擦系數(shù)、夾緊力、扭矩保持能力等方面的差異。

1 理論基礎(chǔ)

所研究的車輪接頭為典型的采用螺栓作為緊固件、錐面配合作為摩擦接觸面的接頭配合形式[6]，如圖1所示。

根據(jù)螺栓配合夾緊力理論及車輪接頭的幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)出車輪螺栓接頭擰緊扭矩和夾緊力的關(guān)系為

配合錐面摩擦系數(shù)計(jì)算式為

螺紋配合部分摩擦系數(shù)為

接頭總摩擦系數(shù)為

2 摩擦系數(shù)試驗(yàn)分析

為了相對(duì)準(zhǔn)確地獲得螺栓緊固件接頭的摩擦系數(shù)，通常采用摩擦系數(shù)測(cè)試方法獲得。摩擦系數(shù)測(cè)試需要在專門的緊固件摩擦系數(shù)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。摩擦系數(shù)試驗(yàn)機(jī)可以模擬螺栓連接時(shí)的扭矩?cái)Q緊和夾緊力的獲得過(guò)程，并在螺栓擰緊端安裝扭矩傳感器和角度傳感器；同時(shí)在螺栓內(nèi)孔安裝支架上安裝扭矩傳感器和力傳感器。這些傳感器分別用來(lái)測(cè)量螺栓擰緊過(guò)程中的擰緊力矩s和螺栓接頭產(chǎn)生的軸向夾緊力。并通過(guò)式（2）～（4）計(jì)算出螺栓配合面、螺紋配合及總的摩擦系數(shù)，輸出螺栓擰緊過(guò)程中扭矩-轉(zhuǎn)角曲線和扭矩-夾緊力曲線。

2.1 摩擦系數(shù)試驗(yàn)設(shè)備

摩擦系數(shù)試驗(yàn)使用的是德國(guó)SCHATZ公司生產(chǎn)的多功能螺栓緊固試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。測(cè)試時(shí)，通過(guò)設(shè)備電機(jī)對(duì)車輪螺栓進(jìn)行擰緊，同時(shí)通過(guò)擰緊槍和支撐圓盤（內(nèi)螺紋）處的扭力傳感器分別測(cè)量并記錄總扭矩和螺紋部分的扭矩和轉(zhuǎn)角；通過(guò)軸力傳感器測(cè)量車輪接頭被擰緊之后的夾緊力；再通過(guò)測(cè)試處理系統(tǒng)內(nèi)的摩擦系數(shù)計(jì)算公式（2）～（4），分別計(jì)算出車輪螺栓接頭錐面配合部分的摩擦系數(shù)、螺栓嚙合部分的摩擦系數(shù)及車輪螺栓接頭總摩擦系數(shù)。

圖2 多功能螺栓緊固試驗(yàn)機(jī)

2.2 摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法和結(jié)果

試驗(yàn)開(kāi)始，擰緊機(jī)構(gòu)以15 r/min的轉(zhuǎn)速擰緊車輪螺栓至150 N?m標(biāo)準(zhǔn)扭矩，然后卸載松開(kāi)，分別采用鋼制墊片和鋁合金墊片進(jìn)行試驗(yàn)。得到螺栓配合錐面的摩擦系數(shù)b、螺紋部分摩擦系數(shù)th等數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1、表2，重點(diǎn)研究車輪螺栓配合錐面的摩擦系數(shù)。

表1 鋁制墊片摩擦系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

注：S max為擰緊扭矩S在每次試驗(yàn)中的最大值；1、2和分別為擰緊扭矩S為122.5 N﹒m、140 N﹒m和150 N﹒m時(shí)的夾緊力。

表2 鋼制墊片摩擦系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

注：S max為擰緊扭矩S在每次試驗(yàn)中的最大值；1、2和分別為擰緊扭矩S為122.5 N﹒m、140 N﹒m和150 N﹒m時(shí)的夾緊力。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比分析表1、表2可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)使用鋁制墊片時(shí)，螺栓孔配合錐面的摩擦系數(shù)最大值為0.19，最小值為0.11，平均值可以達(dá)到0.15左右；當(dāng)使用鋼制墊片時(shí)，螺栓孔配合錐面的摩擦系數(shù)平均值只有0.10左右，最大值為0.11，最小值為0.08，摩擦系數(shù)平均值僅為鋁合金摩擦系數(shù)平均值的66.67%。

3 接頭試驗(yàn)分析

3.1 接頭試驗(yàn)簡(jiǎn)介

當(dāng)摩擦系數(shù)試驗(yàn)應(yīng)用在車輪接頭時(shí)，由于被夾緊件車輪尺寸較大，車輪螺栓孔的區(qū)域是不規(guī)則的，設(shè)備無(wú)法直接裝夾車輪螺栓座進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試需要采用鋼制或鋁制墊片代替，因此測(cè)試出的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)可能與真實(shí)情況存在誤差。在螺栓緊固件研究領(lǐng)域，接頭試驗(yàn)和摩擦系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)一樣，也是一項(xiàng)重要的試驗(yàn)方法和分析手段。

車輪接頭試驗(yàn)是模擬所有車輪接頭內(nèi)零部件配合時(shí)，車輪螺栓擰緊過(guò)程中扭矩從0逐漸增大到使車輪螺栓孔屈服失效，螺栓受剪切力斷裂失效，從而獲得車輪接頭扭矩能力（即接頭所能承受的最大扭矩）的一項(xiàng)試驗(yàn)方法。車輪接頭試驗(yàn)與摩擦系數(shù)測(cè)試一樣，都是模擬螺栓被擰緊的過(guò)程，車輪接頭試驗(yàn)示意圖如圖3所示。

圖3 車輪接頭試驗(yàn)示意圖

3.2 接頭試驗(yàn)方法與結(jié)果

開(kāi)始試驗(yàn)，擰緊機(jī)構(gòu)以15 r/min的轉(zhuǎn)速擰緊車輪螺栓扭矩，直至螺栓達(dá)到極限扭矩時(shí)剪切斷裂，機(jī)器自動(dòng)卸載、試驗(yàn)結(jié)束，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄并保存相關(guān)扭矩、夾緊力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，鋁合金車輪和鋼制車輪接頭試驗(yàn)螺栓夾緊力統(tǒng)計(jì)表分別見(jiàn)表3、表4。

表3 鋁合金車輪接頭試驗(yàn)螺栓夾緊力統(tǒng)計(jì)表

注：3、4分別為擰緊扭矩S為120 N?m、130 N?m時(shí)的夾緊力。

表4 鋼制車輪接頭試驗(yàn)螺栓夾緊力統(tǒng)計(jì)表

注：0、3和4分別為擰緊扭矩S為110 N?m、120 N?m和130 N?m時(shí)的夾緊力。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)比鋁合金車輪和鋼制車輪的接頭試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在加載同樣規(guī)范扭矩條件下，鋼制車輪所能獲得的初始夾緊力大于鋁合金車輪。當(dāng)加載120 N?m的扭矩時(shí)，鋁合金車輪的初始夾緊力平均值僅為鋼制車輪初始夾緊力平均值的75.54%；當(dāng)加載130 N?m的扭矩時(shí)，鋁合金車輪的初始夾緊力平均值僅為鋼制車輪的74.62%。

4 結(jié) 論

根據(jù)上述的分析可知，當(dāng)車輛分別采用鋁合金車輪和鋼制車輪，并在車輪接頭系統(tǒng)內(nèi)其他零部件不變的情況下，車輪接頭的性能會(huì)有以下幾點(diǎn)不同：

1）當(dāng)車輪接頭由鋁合金車輪變成鋼制車輪時(shí)，接頭配合面摩擦系數(shù)和螺栓接頭總的摩擦系數(shù)都有大幅度的下降；

2）在同樣的擰緊扭矩條件下，鋼制車輪組成的車輪接頭的夾緊力大于鋁合金車輪；

3）當(dāng)采用鋁合金車輪時(shí)，為獲得與鋼制車輪相同的初始夾緊力，車輪螺栓的擰緊扭矩可以適當(dāng)降低；

4）由于鋼制車輪配合面摩擦系數(shù)比鋁合金車輪小，考慮要保持車輪接頭螺栓扭矩能力，車輛應(yīng)該盡可能少地采用鋼制車輪。

[1]王海霞，劉獻(xiàn)棟，單穎春，等．考慮材料非線性及螺栓預(yù)緊力的汽車鋼制車輪彎曲強(qiáng)度分析[J]．汽車工程學(xué)報(bào)，2012，2（2）：134-138.

[2]王霄峰，王波，趙振偉，等. 汽車車輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，2002（1）：66-69.

[3]閻勝咎，童水光，張響，等. 汽車車輪彎曲疲勞試驗(yàn)分析研究[J]. 機(jī)械強(qiáng)度，2008（4）：687-691.

[4]鄭戰(zhàn)光，蔡敢為，李兆軍. 含螺栓預(yù)緊力的汽車鋼圈強(qiáng)度分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（8）：219-220.

[5]劉海澄，柳玉起，張曉格. 車輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析及應(yīng)用[J]. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（4）：6-10.

[6]惠桂香，王順新. 鋁合金車輪螺栓的緊固試驗(yàn)[J]. 現(xiàn)代零部件，2011（6）：58-59.

2019-04-25

U463.34

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.007

1002-4581（2019）04-0024-04