某輕型卡車車輪螺栓滑牙分析及改進(jìn)

宋心雷，吳兆亮

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 輕型商用車研究院，安徽 合肥 230601）

前言

車輪螺栓是整車安全的重要零部件，在行駛中出現(xiàn)螺栓斷裂等問題，則可能出現(xiàn)車輪飛出的嚴(yán)重交通事故。由于可能引起螺栓斷裂的因素較多，在問題出現(xiàn)時，往往很難找到導(dǎo)致問題的確切原因。其中螺紋滑牙會導(dǎo)致鎖緊力矩變小，可能導(dǎo)致螺栓斷裂。

1 問題現(xiàn)象

某輕型卡車在裝配車輪時，出現(xiàn)車輪螺栓內(nèi)螺紋滑牙現(xiàn)象。其車輪螺栓為M20×1.5螺紋，10.9級，表面三價環(huán)保彩鋅；車輪螺母為M20×1.5螺紋，10級，表面三價環(huán)保彩鋅。

2 問題調(diào)查

螺栓滑牙的因素有很多，故障樹分析如圖1。

圖1 故障樹分析

根據(jù)故障樹分析，序號（1）、（2）、（3）、（4）4項因素，可以直接通過校核計算或測試獲得，因此從以上四個因素著手分析，確認(rèn)問題方向后，再查找具體末端因素。

2.1 設(shè)計強(qiáng)度校核

車輪螺栓連接狀態(tài)的受力分析如圖2。

圖2 輪轂安裝結(jié)構(gòu)及受力示意圖

1）擰緊外螺母的軸向力計算。

擰緊螺母后，軸向力公式如下[1]：

其中：

T——擰緊力矩，590 N·m～680 N·m（設(shè)計擰緊力矩范圍）；

d2——螺栓中徑，21.026 mm；

L——螺距，1.5 mm；

Μ——螺栓摩擦系數(shù)，0.12～0.4（一般鍍鋅表面）；

Dm——螺母安裝面等效摩擦半徑，33.6 mm；

f1——螺母安裝面摩擦系數(shù)，0.12～0.4（一般鍍鋅表面）。

將相關(guān)設(shè)計參數(shù)代入公式（1）中，得出軸向力如表1。

表1 不同摩擦系數(shù)、擰緊力矩下軸向力 單位：N

2）螺母保證載荷的標(biāo)準(zhǔn)要求。

M20×1.5的10級螺母保證載荷要求為：螺母與標(biāo)準(zhǔn)螺栓試棒配合，在293.8 kN的拉力載荷下，保持15 s，能夠自由拆下螺母。

根據(jù)設(shè)計計算軸向力與螺母保證載荷要求比較，設(shè)計軸向力符合要求。

2.2 螺紋保證載荷測試

1）螺母保證載荷標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果。

對螺母保證載荷按要求進(jìn)行抽檢，全部符合293.8 kN的要求。

2）螺母與配套螺栓配合測試結(jié)果。

為排除因配對螺栓的螺紋強(qiáng)度不足導(dǎo)致螺紋滑牙，分批次用螺母與配套使用的螺栓配合進(jìn)行拉力測試，破壞均發(fā)生在螺紋處，測試?yán)哂?80 kN，同樣遠(yuǎn)高于計算的軸向力。

圖3 螺栓、螺母配套拉力測試結(jié)果

通過螺紋保證載荷測試，說明螺栓、螺母的保證載荷符合要求。

2.3 擰緊力矩測試

對輪胎螺母擰緊機(jī)輸出扭矩實施測量系統(tǒng)分析，確認(rèn)輪胎螺母擰緊機(jī)是否會因設(shè)備不穩(wěn)定，輸出偏大的扭矩，導(dǎo)致輪胎螺栓出現(xiàn)滑牙的現(xiàn)象[2]。

經(jīng)過連續(xù)測試分析，如圖4所示，擰緊力矩沒有超出設(shè)定的590 N·m～680 N·m要求。

圖4 擰緊力矩檢查情況

2.4 摩擦系數(shù)測試

因螺栓摩擦系數(shù)受表面處理及污損等情況影響[3]，因此，做正常表面鍍鋅處理和鍍鋅后表面涂潤滑油兩組對比測試。

（1）正常鍍鋅產(chǎn)品抽樣檢測。

對正常產(chǎn)品測試其摩擦系數(shù)，結(jié)果如表2、圖5，摩擦系數(shù)0.263～0.394，摩擦系數(shù)較大。

圖5 正常緊固件扭矩－夾緊力曲線

表2 正常螺栓、螺母摩擦系數(shù)

（2）模擬螺紋表面有潤滑油污損狀態(tài)檢測。

對螺栓、螺母的生產(chǎn)、運輸、裝配前等所有環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)螺母在其墊片壓裝時，由于壓力機(jī)存在滲漏情況，螺母可能會被油污染。對螺母成品件用吸油紙進(jìn)行一一檢查，發(fā)現(xiàn)有極少數(shù)螺母上存在油污。由此可以確定，螺母表面被油污染是真實存在的。

將這些被潤滑油污染的螺母進(jìn)行摩擦系數(shù)測試，結(jié)果如表3、圖6，摩擦系數(shù)0.093～0.113，相比正常產(chǎn)品，摩擦系數(shù)小很多。

表3 螺栓、螺母表面涂潤滑油摩擦系數(shù)

圖6 螺栓、螺母表面涂潤滑油扭矩-夾緊力曲線

按摩擦系數(shù)0.093計算，軸向力可達(dá)到266.4 kN，已十分接近于280 kN，考慮到摩擦系數(shù)的波動，擰緊力矩的波動等，很容易就會發(fā)生滑牙故障。

2.5 小結(jié)

根據(jù)以上分析，螺母油污染導(dǎo)致摩擦系數(shù)顯著減小，從而導(dǎo)致軸向力過大，致使螺紋滑牙。

3 驗證

按上述問題調(diào)查情況，對螺栓、螺母的生產(chǎn)、運輸過程中的所有可能污染的環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查，特別對于已發(fā)現(xiàn)的螺母壓裝設(shè)備滲漏潤滑油故障進(jìn)行消除，重新批量送樣，在生產(chǎn)線進(jìn)行驗證。連續(xù)驗證1周時間，未再發(fā)生螺栓、螺母滑牙故障。

4 結(jié)論

（1）螺紋發(fā)生故障的可能因素較多，分析問題時，需要從各個方面逐步分析，進(jìn)而找到根本原因。

（2）本文所分析的車輪螺栓滑牙問題，是由于螺紋上存在油污，減小了螺栓摩擦系數(shù)導(dǎo)致。

（3）除了油污影響螺栓摩擦系數(shù)外，還應(yīng)該關(guān)注鍍鋅表面的摩擦系數(shù)波動較大，對于影響安全的重要緊固件，必須要把螺栓摩擦系數(shù)進(jìn)行控制，使其穩(wěn)定，常見的做法是在鍍鋅表面增加摩擦穩(wěn)定劑。