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车轮螺母，如何设计装配扭矩？

浏览次数：307 发布时间：2023-12-07

轮胎、轮辋与轮辐统称为车轮，车轮不仅对汽车的行驶性能有重要影响，而且对行驶安全性有最直接的影响。在日常的汽车使用中，会听到说某个汽车的轮子都飞出去了的事故，来描述汽车质量的低下或者车辆安全事故的严重性。


轮辐是轮辋与轮毂的连接件，辐板式轮辐通过它的可定心的紧固孔与轮毂连接。轿车和小型货车通常以60°锥角的螺母座定心，在螺母上施加扭矩，将轮辐和轮毂连接在一起。


今天，从整车数据出发，以后车轮为例，说明车轮螺母的拧紧力矩的开发和计算。  


01

计算需要的相关参数


02


计算外部工作负载

在计算车轮安装扭矩时，需要考虑下面三个工作作用力，其中冲击力FS和制动力FX是车轮和制动盘分界面的动态横向力FQ，车轮转向时的侧向力是螺栓所受的轴向力FA。冲击力FS和制动力FX有设计工况和极限工况。


a.车轮抱死的极限地面制动力

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为了求得螺栓抵抗车轮抱死的制动力必须提供的摩擦负载FX1，以车轮中心为旋转点的扭矩等式如下：           

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得到， 

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b.不发生车轮抱死的制动力矩是由Fu= zMg决定的，当z≤0.5，覆盖了车辆99.98%的制动减速度。

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为了求得螺栓抵抗车轮抱死的制动力必须提供的摩擦负载FX2，以车轮中心为旋转点的扭矩等式如下：

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得到：

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c.后轮最大垂直负载-车轮冲击力

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k=2.5是汽车过载系数。

d.车轮和制动盘分界面的动态横向力

1）极限工况：

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2）设计工况：

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e.当车轮以最大转向加速度a=1.2g转向时，车轮受到的最大侧向力

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f.车辆的侧向加速度在绝大多数的使用工况都小于0.3g， 以a=0.5g计算车轮受到的设计侧向力

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03


单个螺栓所受的横向载荷和轴向载荷

a.极限工况下单个螺栓所受的横荷:

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设计工况下单个螺栓所受的横向荷：

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b.假设最下方螺栓所受的拉力为侧向力的一半,单个螺栓所受极限工况的轴向载荷：

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设计工况的轴向载荷：

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04


设计工况下单个螺栓传递横向载荷所需要的螺栓轴向力

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05


螺栓的装配预载荷

在VDI2230中，螺栓的最小装配预载荷公式是：

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这个公式是VDI2230中给出的理论公式，实践中，因为是在常温的工作环境我们没有计算 Δ FVth，计算Φ和FZ涉及到求被连接件的刚度，计算复杂，而且这两个值比较小，并且一正一负可以互相抵消一部分，对计算结果影响有限。我们使用计算螺栓最小夹紧力 ：

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06


螺母的拧紧扭矩

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a.螺母的锥面摩擦扭矩

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b.螺母内螺纹处的扭矩

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c.螺母的拧紧扭矩

 螺母最小扭矩：

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考虑车轮和轮毂接触面的由于压陷和松弛而造成的预载损失，螺栓和螺母的摩擦系数的范围是0.12~0.18，M14*15配对螺栓的利用率，将安装扭矩定为：M=180±10Nm。

07


极限工况下对螺栓的校核

a.在小概率的车轮抱死和车轮冲击力最大的极限工况下,单个螺栓所受的横向在荷FKmax=11.578KN，当M=170Nm，μ=0.18，螺栓轴力FV=49KN时，单个螺栓提供的摩擦力F'K=0.15*48=7.2KN是不能抵抗横向在荷FKmax的。这时就产生了过载，外载荷克服了接合面上的静态摩擦，可能会导致螺栓受到剪切力。需要校核螺栓的剪切应力。


接合面上的螺栓截面积

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螺栓的剪切应力远远小于螺栓的剪切强度τB=0.6Rm=600Mpa,所以极限状况发生时，螺栓不会被剪断。


b.对于车轮以最大转向加速度a=1.2g转向时带来的最大螺栓轴向力FAmax=6.563KN，要考虑当M=190Nm，m=0.12，螺栓轴力FV=79.4KN时螺栓的拉应力要小于抗拉强度。

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σmax<σs=0.9Rm=900Mpa，这种极限工况下螺栓不会屈服。


c.对车轮抱死，车轮冲击力达到最大，车辆以最大加速度a=1.2g转向这种最恶劣工况校核，螺栓的当量应力：

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σred<σs=0.9Rm=900Mpa，最恶劣的极限工况下螺栓不会屈服。


对于车轮螺栓螺母的拧紧力矩，合理取得设计工况是最关键的一个步骤，否则会造成螺栓螺母的规格过大，或者太小的规格造成断裂风险。对于极小概率的工况，有滑移但不剪断螺栓是允许的，但不允许滑移频繁产生。虽然极限工况是小概率事件，发生的几率极低，但螺栓不断裂保证车辆安全是必要的。



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