轎車車輪用螺栓軸力設(shè)計與測試應(yīng)用

劉增杰 周杰 杜青春 吳坤鵬

摘要： 在測試技術(shù)飛速發(fā)展的今天，軸力監(jiān)測在失效預(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。本文主要對汽車車輪用測試應(yīng)力螺栓設(shè)計進(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，并對測試意義進(jìn)行了評估。

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)計制作;應(yīng)力測試

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

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，在日常使用中會受到拉力與壓力，還有安裝時螺栓受到禁固力，如果設(shè)計不完善或出現(xiàn)過載會導(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)事故后會造成的人身財產(chǎn)損失。直接對螺栓進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測與控制受到的軸向應(yīng)力，對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，計算值存在一定的誤差。對相應(yīng)扭矩下的螺栓軸向力進(jìn)行測試可以直接得到螺栓此時的應(yīng)力值，對軸向力進(jìn)行監(jiān)控可以提前監(jiān)測到異常，及時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。我國乘用車市場中常用螺栓規(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，原理為當(dāng)粘貼在結(jié)構(gòu)物體上的應(yīng)變計感受到結(jié)構(gòu)物體產(chǎn)生變形時，應(yīng)變計同步進(jìn)行變形，應(yīng)變計內(nèi)部的金屬電阻在變形時，電阻產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過檢測電阻的變化而對應(yīng)變進(jìn)行測定，進(jìn)而通過應(yīng)變計算應(yīng)力。應(yīng)變計它主要由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：它起連接測量導(dǎo)線的作用。目前市場上品牌與規(guī)格型號繁多，柵長或者面積從幾毫米到幾十厘米，應(yīng)變計電阻值：60、120、350、500、1000歐姆等，應(yīng)變計規(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，通過測量電阻變化，間接測量應(yīng)力。電阻應(yīng)變儀實質(zhì)上是測量電阻變化，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)變快速測量，對于隨時間變化很快的動態(tài)應(yīng)變信號，發(fā)展了數(shù)據(jù)采集裝置和系統(tǒng)，它由計算機(jī)進(jìn)行操作，可進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、傳送、儲存和處理。目前有無線傳輸與有線傳輸，試用于不同的場景，動態(tài)測試時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;在接近絕對零度（-273攝氏度）的超低溫下仍有延伸率、在260攝氏度時可連續(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)變測量的聚酰亞胺應(yīng)變膠;適用于大應(yīng)變（即塑性應(yīng)變）測量，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)等部門的測量、控制和稱重工作自動化過程。

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;對螺栓采用超聲波進(jìn)行清洗，清洗時可以適當(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箱進(jìn)行烘干?？紤]螺栓強(qiáng)度原因，應(yīng)變計傳感器選擇Φ1.9mm應(yīng)變儀傳感器或者低于Φ2mm，不限定品牌，選擇應(yīng)力測試儀包含的規(guī)格。應(yīng)變計使用使用前進(jìn)行阻值測量與外觀檢查，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。測量四分之一橋測量電阻，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)變計粘貼的深度，保證應(yīng)變計敏感柵的中心位置在螺栓受力的中心，同時在應(yīng)變計上進(jìn)行標(biāo)記，方便粘貼時進(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，保證膠水及時的補(bǔ)充空余部位，待孔內(nèi)全部是膠水后，壓入應(yīng)變計傳感器，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)行測量線的焊接工作。應(yīng)變計和測量線間的連接最好通過接線端子，焊點(diǎn)確保無虛焊。測量線最好與試件綁扎固定，測量線兩端根據(jù)測點(diǎn)的編號作好標(biāo)記。結(jié)構(gòu)如圖1所示。[2]

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

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

2? 軸力測試

①把軸力螺栓安裝到測試設(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，需要注意線路的對應(yīng)性，啟動應(yīng)變測試儀逐個進(jìn)行測試連接，確認(rèn)信號是否正常，確認(rèn)無誤后手動緩慢試運(yùn)行查看設(shè)備狀態(tài)，確認(rèn)全部正常時開啟測試設(shè)備進(jìn)行測量，采用無線傳輸?shù)脑O(shè)備需要保證距離在范圍內(nèi)，保證信號強(qiáng)度足夠，具體可以查看應(yīng)變儀說明書，不同廠家會有區(qū)別。

③數(shù)據(jù)的收集，從應(yīng)變儀中實時讀取數(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)值分析可以評價設(shè)計合理性，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? 軸力測試應(yīng)用

①用于新研發(fā)車輪內(nèi)部實驗室驗證，軸力測試值評估產(chǎn)品裝配尺寸設(shè)計的合理性，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（實驗室試驗），可以分析出整個道路循環(huán)中各種路段車輪螺栓受力狀態(tài)，根據(jù)受力狀態(tài)對螺栓的選擇合理性進(jìn)行評估，并修訂評價設(shè)計選擇標(biāo)準(zhǔn)，選擇合理成本的物料。③日常車輛行駛中監(jiān)控，日常行車中實時監(jiān)控螺栓力值，出現(xiàn)一個螺栓異常斷裂時能及時出現(xiàn)報警。對車輪幾個螺栓進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)有一個螺栓在斷裂前或者出現(xiàn)裂紋后，對應(yīng)的軸力會出現(xiàn)異常變化，出現(xiàn)異常后可以針對性進(jìn)行檢查更換，避免引發(fā)多個螺栓斷裂，最終車輪飛出發(fā)生安全事故。

4? 結(jié)束語

本設(shè)計詳細(xì)說明了軸力螺栓的設(shè)計制作過程，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，并對重點(diǎn)關(guān)鍵項目進(jìn)行了說明，保證了實施的可行性。本撰寫小組親自進(jìn)行組裝驗證，并測試選擇了2個廠家的設(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化監(jiān)控的發(fā)展，實時監(jiān)測螺栓力值可以參照《輪胎壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計與仿真》中輪胎監(jiān)測的方式[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)：

[1]電阻應(yīng)變計;百度百科（網(wǎng)址http：//baike.baidu.com/view/485301.html）;2008-04-20[Z].陜西省名牌產(chǎn)品年鑒. 2013.

[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.輪胎壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2020.