三代輪轂軸承車輪螺栓斷裂的機(jī)理分析

陳陽(yáng)，劉志潘，費(fèi)二威，高尚，侯杰，謝丹彤

三代輪轂軸承車輪螺栓斷裂的機(jī)理分析

陳陽(yáng)，劉志潘，費(fèi)二威，高尚，侯杰，謝丹彤

（中國(guó)第一汽車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130013）

通過(guò)對(duì)某B級(jí)車三代輪轂軸承的車輪螺栓斷裂問(wèn)題進(jìn)行分析，從材料檢測(cè)、CAE分析和軸向夾緊力的角度明確問(wèn)題發(fā)生的原因和機(jī)理，提出優(yōu)化方案并通過(guò)考核車輪螺栓的整車試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)本次問(wèn)題的解決，為同類結(jié)構(gòu)的車輪螺栓斷裂問(wèn)題提供了排查思路和解決方案。

三代軸承；車輪螺栓；應(yīng)力集中；軸向夾緊力

前言

目前為滿足乘用車輕量化、集成化設(shè)計(jì)要求，通常將車輪螺栓通過(guò)花鍵配合集成在三代輪轂軸承上，擰緊車輪螺母旋入車輪螺栓配合，將車輪和制動(dòng)盤(pán)夾緊?？刂栖囕喡菽笖Q緊力矩工藝，以提供有效的軸向夾緊力，防止緊固件松動(dòng)，保證車輪可以穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)承載和傳遞扭矩。如果預(yù)緊有效軸力不足，該套緊固件松動(dòng)將會(huì)使車輪螺栓應(yīng)力集中處承受異常的彎曲載荷，產(chǎn)生疲勞源并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致車輪螺栓疲勞斷裂。

1 車輪螺栓斷裂分析

1.1 問(wèn)題背景和裝配結(jié)構(gòu)

某B級(jí)車考核車輪螺栓的整車試驗(yàn)過(guò)程中，在車輛行駛700~900圈時(shí)集中出現(xiàn)前輪軸承螺栓斷裂問(wèn)題，該試驗(yàn)考核目標(biāo)為3600圈。試驗(yàn)車每圈經(jīng)過(guò)5次急轉(zhuǎn)彎，急轉(zhuǎn)彎時(shí)單側(cè)車輪著地，試驗(yàn)時(shí)直線段最高車速為75km/h，彎道部分最高車速為30-40km/h，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的六分力路譜轉(zhuǎn)化，急轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪垂直方向和側(cè)滑方向的加載力為2G（11.71kN）。

車輪螺栓材質(zhì)為SCM435，規(guī)格為M12×1.5，性能等級(jí)為10.9級(jí)，先熱處理后滾制螺紋，表面摩擦系數(shù)為0.08~0.14，表面處理為Fe/Zn-Al.D（電鍍鋅鋁）。車輪螺母擰緊工藝為（125±15）N.m，表面處理為電鍍MFCrT5（電鍍鉻），與車輪錐面配合。該車輪螺栓周圍的輪邊相關(guān)件具體裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示，車輪螺母與車輪螺栓螺紋配合擰緊，將鋁合金車輪、制動(dòng)盤(pán)固定到輪轂軸承上。

圖1 輪邊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 斷裂形貌分析

如圖2所示，螺栓斷裂的位置大致相同，都是在螺紋收尾位置，輪轂軸承法蘭面的發(fā)生明顯的銹蝕及磨損痕跡，這是因?yàn)檐囕喡菽杆蓜?dòng)后，在外載的作用下，輪轂軸承法蘭面與制動(dòng)盤(pán)發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，螺栓承受異常的彎曲載荷，在應(yīng)力集中處發(fā)生斷裂。校核失效試驗(yàn)車車的車輪螺母擰緊力矩，擰緊力矩衰減量在±5%范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，這說(shuō)明造成松動(dòng)的原因?yàn)閿Q緊力矩轉(zhuǎn)化的有效夾緊軸力不滿足設(shè)計(jì)要求[1]。采用電鏡掃描后，該螺栓端口形貌具有明顯的疲勞開(kāi)裂特征，改疲勞源起于螺紋表面，沿著箭頭方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致車輪螺栓發(fā)生疲勞斷裂[2]。

圖2 車輪螺栓宏觀和微觀形貌圖

2 理化分析

表1 螺栓的化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

在尺寸檢測(cè)合格的基礎(chǔ)上，對(duì)失效的車輪螺栓和未斷螺栓進(jìn)行理化性能檢驗(yàn)，如表1~表4所示，1#樣件為斷裂樣件，2#和3#樣件為未斷樣件。螺栓的材料的化學(xué)成分參考ML35 CrMo技術(shù)要求，根據(jù)GB/T 6478-2001標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，螺栓材料只要滿足性能要求即可。車輪螺栓的組織為淬火高溫后回火索氏體組織，晶粒大小適當(dāng)，金屬流線分布及夾雜物分布均未見(jiàn)異常[3]。螺栓的維氏硬度HV30和脫碳試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果符合GB/T 3098.1中10.9級(jí)技術(shù)要求，可排除螺栓機(jī)械性能不合格導(dǎo)致失效的因素[4]。

表2 螺栓金相組織檢驗(yàn)結(jié)果

表3 螺栓硬度檢驗(yàn)結(jié)果

表4 螺栓的脫碳試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果

3 CAE強(qiáng)度分析

如圖2所示，螺栓斷裂都發(fā)生在螺紋收尾位置附近，故對(duì)某B級(jí)車緊固結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE分析，加載點(diǎn)作用于車輪接地點(diǎn)，車輪垂直方向和側(cè)滑方向的加載力為2G（11.71kN）。如圖3所示，螺栓按照光桿考慮，2萬(wàn)次疲勞損傷值小于10-5，滿足強(qiáng)度要求。由于螺紋的存在會(huì)使其收尾位置存在應(yīng)力集中，會(huì)加劇車輪螺栓斷裂的發(fā)生[5]。如圖4所示的，距離螺栓頭部16mm處應(yīng)力最小，因此應(yīng)將此處作為側(cè)滑工況下螺紋收尾位置的最佳區(qū)域。優(yōu)化前車輪螺栓螺紋收尾位置（15±1）mm，優(yōu)化后控制為（16±1）mm。顯然，優(yōu)化后的螺栓對(duì)應(yīng)力分布更加有利，但是也只能向后延緩螺栓斷裂的趨勢(shì)，沒(méi)有從根本上解決其承受異常彎曲載荷來(lái)源的問(wèn)題。

圖3 螺栓損傷分布圖

圖4 螺栓應(yīng)力幅云圖

4 軸向夾緊力測(cè)量與分析

按照某B級(jí)車整車相關(guān)參數(shù)和路鋪載荷采集結(jié)果，進(jìn)行VDI螺栓校核計(jì)算，緊固件夾緊設(shè)計(jì)上需求最小軸力為31KN，安全擰緊系數(shù)為1.26。

4.1 重復(fù)擰緊試驗(yàn)

如圖5所示，利用MCI軸力測(cè)量試驗(yàn)，采用車輪螺母擰緊工藝力矩上限值140N.m，對(duì)輪轂軸承總成進(jìn)行40次重復(fù)擰緊試驗(yàn)，車輪螺母的擰緊曲線見(jiàn)圖6，過(guò)程中軸承螺栓均未發(fā)生斷裂，說(shuō)明在擰緊工藝力矩范圍內(nèi)擰緊過(guò)程不會(huì)造成車輪螺栓斷裂問(wèn)題。

圖5 軸力測(cè)試設(shè)備圖

圖6 40次重復(fù)擰緊曲線圖

4.2 車輪螺母表面處理對(duì)軸力影響分析

在上述擰緊過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鋁合金車輪的配合錐面出現(xiàn)塑性損傷，甚至被車輪螺母壓潰，同時(shí)車輪螺母接觸錐面也磨損嚴(yán)重。在結(jié)構(gòu)尺寸符合設(shè)計(jì)要求的前提下，利用圖4設(shè)備，對(duì)不同表面處理的車輪螺母進(jìn)行20次反復(fù)擰緊試驗(yàn)，測(cè)量其軸向夾緊力[6]。試驗(yàn)方案如表5，每種方案測(cè)量四組樣件在擰緊工藝力矩上、下限值的軸向夾緊力，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

表5 軸向夾緊力試驗(yàn)方案

從圖7中可以看出，虛線表示設(shè)計(jì)需求最小軸力31kN，可以看出采用電鍍鋅鎳螺母鎖緊，當(dāng)按照擰緊工藝力矩下限值首次擰緊后，軸向夾緊力＞31kN，滿足31kN的設(shè)計(jì)需求，而當(dāng)按照擰緊工藝力矩上限值首次擰緊后，軸向夾緊力＞45kN；反復(fù)擰緊20次后，在擰緊工藝力矩范圍內(nèi)，均滿足31kN的軸向夾緊力設(shè)計(jì)需求，如圖8所示，輪轂球窩和螺母配合面僅出現(xiàn)正常的輕微磨損現(xiàn)象，表面沒(méi)有明顯的破壞。采用原方案電鍍鉻車輪螺母擰緊后，在擰緊工藝力矩范圍內(nèi)，其首次擰緊提供軸向夾緊力（11~16.5）kN，而反復(fù)擰緊20次后，其提供軸向夾緊力（11.6~16.4）kN，都不滿足31kN的軸向夾緊力設(shè)計(jì)需求，隨著反復(fù)擰緊，如圖9所示，輪轂球窩和螺母配合面磨損嚴(yán)重，輪轂球窩已發(fā)生顯著的塑性變形。根據(jù)以上分析，車輪螺母電鍍鉻表面處理會(huì)對(duì)鋁合金車輪造成塑性損傷和異常磨損，使螺栓、車輪螺母和輪轂球窩的摩擦系數(shù)變大，導(dǎo)致擰緊到目標(biāo)扭矩時(shí)轉(zhuǎn)化的有效軸向夾緊力減少而不滿足試驗(yàn)工況，同時(shí)軸向夾緊力不足加劇松動(dòng)的發(fā)生，使其承受異常的彎曲載荷，最終發(fā)生疲勞斷裂。

圖8 反擰緊20次后電鍍鉻配合錐面形貌圖

圖9 擰緊20次后電鍍鋅鎳配合錐面形貌圖

5 結(jié)論

采用優(yōu)化收尾位置的車輪螺栓和電鍍鋅鎳表面處理的車輪螺母方案重新進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為通過(guò)考核車輪螺栓的道路試驗(yàn)驗(yàn)證。

在尺寸結(jié)構(gòu)、材料、機(jī)械性能均合格的條件下，緊固件軸向夾緊力不足會(huì)造成車輪螺母松動(dòng)，導(dǎo)致車輪螺栓承受異常的彎曲載荷，這是造成三代輪轂軸承的車輪螺栓疲勞斷裂的根本原因。同時(shí)優(yōu)化車輪螺栓的螺紋收尾位置可以改善應(yīng)力分布，可在一定程度上起到推遲車輪螺栓斷裂趨勢(shì)的作用。

車輪螺母的表面處理工藝對(duì)緊固件軸向夾緊力建立的影響很大，在相同擰緊工藝力矩要求條件下，表面處理電鍍鋅鎳的車輪螺母比電鍍鉻的車輪螺母可以提供更高、更穩(wěn)定的軸向夾緊力。

[1] 魏曉曉,孔小兵,莫立權(quán).汽車車輪螺母扭矩衰減分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017,(20):100-101+107.

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The Analysis on the Fracture Mechanism of Wheel Bolts of Three Generation Hub Bearings

Chen Yang, Liu Zhipan, Fei Erwei, Gao Shang, Hou Jie, Xie Dantong

(China FAW Group Co. Ltd., Jilin Changchun 130013 )

This paper analyzes the fracture problem of the wheel bolt of the third-generation hub bearing of a b-class vehicle. The cause and mechanism of the problem are clarified from the perspective of material, CAE analysis and axial clamping force. In this paper, the improved schemes are put forward and the whole vehicle test verification is successfully completed. Based on the solution, the investigation idea and solution can be provided for the similar structure of the wheel bolt fracture problem.

Third-generation hub bearings; Wheel bolts; Stress concentration; Axial clamping force

U463.343

A

1671-7988(2019)18-139-04

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陳陽(yáng)，碩士，初級(jí)工程師，就職于中國(guó)第一汽車股份有限公司，研究方向：底盤(pán)轉(zhuǎn)向領(lǐng)域。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.046