车轮螺栓螺母的探讨

GAF螺丝君2021-11-22 10:39:41



看到过同行写的几篇关于车轮螺栓计算校核的相关论文,如《新车型开发中螺纹紧固件拧紧扭矩的开发》,《




1、计算工况的选择


车轮螺栓受力较大工况为过坑工况,此时可以按照前轴质量乘以3g或3.5g过坑要求来计算车轮螺栓所受到的过坑时候总的剪切载荷,此时,每个螺栓所受载荷是平均的,也就是总剪切载荷除以螺栓的数量。通常该剪切载荷是远小于制动或加速时候的螺栓所受的剪切载荷,所以该工况可以省略,仅仅计算制动或加速时候的剪切载荷即可。


车轮螺栓最大受力工况为制动工况,这也是相关论文中都认可的一个计算车轮螺栓的载荷工况。计算该工况时候需要考虑车身质量转移的影响,在传统轿车中,通常前轴质量较大,制动时候考虑到质量转移前轴质量会更大。现在电动汽车由于电池包质量只要位于后轮,所以,后轮的质量有可能比前轮更大,同时,很多电动汽车百公里加速都可以达到3s以内,这样后轮的载荷有可能就会比前轮更大,在计算时候需要特别注意。


   制动工况计算,具体计算方法可以参照下面方法:



通过上述方法求出地面对车轮的支撑作用力后,根据路面与轮胎的附着系数,也可以认为摩擦系数,就可以求出地面对轮胎的摩擦力。


根据地面对轮胎的摩擦力,乘以车轮滚动半径就可以最终得出制动时候车轮的最大扭矩。车轮螺栓预紧力产生的摩擦力就是要来克服该制动扭矩,车轮螺栓预紧力后产生的摩擦力与车轮旋转中心的扭矩要大于该制动扭矩,否则,制动时候车轮轮毂与制动盘或轮毂轴承就会产生相对运动,造成螺栓的松动,疲劳断裂等问题。



2、锥面或球面车轮螺栓的作用


锥面或球面车轮螺栓的作用主要是:

定位(因为螺栓孔比螺栓直径会大1~2·mm,如果仅用螺栓孔来定位,有可能造成车轮向一个方法偏离。用锥形或球面螺栓,螺栓锥形孔或球面孔与螺栓的锥形或球面不会有很大的间隙,这样就不会造成很大的定位偏差)。


防松(由于锥形或球面螺栓相同预紧力作用下,压力更大,从而螺栓头的摩擦力会更大,拧紧扭矩或松动扭矩也相应的会更大。关于该点也有说法是等效摩擦半径会更大造成的,从理论上分析,我认为应该是相同预紧力作用下的压力更大造成的)。





如上图,在锥槽中的一个滑块,计算压力N21为

2*N21=Fn/sinθ

Ff=μ*2* N21=μ*Fn/sinθ

由此可见,对于锥形螺栓的拧紧扭矩计算公式,通过上述理论分析,可以得出锥形螺栓的拧紧扭矩为:



除了端面(支撑面)摩擦扭矩需要除以一个半锥角的正弦值外,其他都与平面螺栓一致。


还有能够承受一定的剪切力作用(如果受到的剪切载荷较大时候,轮毂有发生滑动的趋势,但是由于锥面或球面螺栓已经拧紧,与螺栓孔的锥面或球面紧密贴和,这样就会抵抗一部分华东的趋势,从而减小螺栓松动的可能)。


下图为经过有限元模拟分析的结果,从模拟分析可以看出螺栓如果出现滑动后,车轮螺栓的一侧会受到较大的应力,出现滑动后剪切载荷越大,螺栓这一侧的最大应力会急剧上升,这样就会比较容易出现疲劳断裂,所以,车轮螺栓设计时,应满足在剪切载荷作用下,轮毂与制动盘之间不能出现滑动的情况。

    



随着载荷增加螺栓受到的最大应力变化



3、拧紧扭矩


    由于车轮螺栓螺母需要多次拧入拧出,所以,通常车轮螺栓的拧紧扭矩不能设定的太高。通常平面螺栓的拧紧扭矩最大按照螺栓屈服扭矩的90%设计计算,而根据现有车型分析发现,车轮螺栓的拧紧扭矩最大不应超过80%的螺栓屈服扭矩为宜,甚至更低,螺栓利用率非常低。如大众的标准中30KNM14x1.5的螺栓要求40KN,这样预紧力估算约为螺栓屈服预紧力的40%左右,按照扭矩系数为2.0估算,M12x1.5的车轮螺栓最大预紧力为60KNM14x1.5的螺栓为80KN,远比正常螺栓的拧紧扭矩要低。


采用锥面或球面的螺栓,拧紧扭矩会比一般的平面螺栓扭矩增大很多,但实际上又不会设定很大的拧紧扭矩,通常M12x1.5的螺栓拧紧扭矩设定为125Nm±15Nm(理论计算值约为150Nm),M14x1.5的螺栓拧紧扭矩设定为170Nm±20Nm(理论计算值约为220Nm),当然有些公司也设定的更高一些。这些都比理论算出来的螺栓拧紧扭矩要小。例如有些公司螺栓用的10.9级的螺栓,螺母是用9级的螺母,这从中也说明了实际拧紧扭矩比正常值是要小的,实际测量值也说明了预紧力比较低的问题。



4、摩擦结合面数量和结合面摩擦系数


论文中介绍计算时候按照两个结合面进行计算,实际上对于轮毂和制动盘之间应该只有一个结合面,如果是一个结合面的话,计算结果就远远不能满足要求了。


所以实际上该处轮毂与制动盘之间的摩擦系数应该可以选取的比较大一些,在向供应商要求时候也可以进行要求,尽量加工成更大的摩擦系数,这样对于螺栓拧紧后的防滑(相对滑动)更有利。认为此处的摩擦系数可以选取0.3.


5、车轮螺母表面处理问题


螺栓现在常见的是采用锌铝涂层的处理,有些螺栓外面加上一个光亮的或者非金属的防护罩。


车轮螺母有组合式的车轮螺母,有镀铬的车轮螺母。组合式的车轮螺母可以采用锌铝涂层的,外罩用不锈钢的。镀铬的车轮螺母是否能够控制摩擦系数,目摩擦系数可以控制在多大的范围内,暂时没有相关的数据,希望有相关参数的人员可以探讨一下。



6、车轮螺栓数量规格与车重的关系


分析了不同的车型车轮螺栓的规格和车重也没有一个特别明显的关系,而且很多车型还存在不同的数量(有4个或5个),如下表的分析数据:


品牌

车系

原车螺母、螺杆

原胎




A4L 2.0

锥口17"14*1.5螺杆

225/55 R16

A4L

锥口17"14*1.5螺杆

225/50 R17

A4L 3.2

锥口17"14*1.5螺杆

245/40 R18

A6L 2.0

锥口17"14*1.5螺杆

225/55 R16

A6L 2.4

锥口17"14*1.5螺杆

225/50 R17

A6L 2.8/娱乐

锥口17"14*1.5螺杆

225/50 R17

A6L2.8/豪华

锥口17"14*1.5螺杆

225/50 R17

A6L2.8/Quattro豪华

锥口17"14*1.5螺杆

245/45 R17

A6L3.0/Quattro豪华

锥口17"14*1.5螺杆

245/45 R17

A6L3.0/Quattro豪华

锥口17"14*1.5螺杆

245/45 R18

Q3

锥口17"14*1.5螺杆

235/55 R17

国产Q5 2.0T

锥口17"14*1.5螺杆

235/65 R17


国产Q5

锥口17"14*1.5螺杆

235/60R18


Q7

锥口17"14*1.5螺杆

255/55 R18


Q7

锥口17"14*1.6螺杆

265/50R19


Q7

锥口17"14*1.7螺杆

275/45R20


B200

球面17"14*1.5螺杆

215/45 R17

GLK 300

球面17"14*1.5螺杆

235/50 R19

球面17"14*1.5螺杆

255/45 R19

GLK 350

球面17"14*1.5螺杆

235/45 R20

球面17"14*1.5螺杆

255/40 R20




迈腾3.2

锥口19"14*1.5螺杆

235/45 R17

途锐3.6V6/3.0T-V6柴油版

锥口19"14*1.5螺杆

255/60 R17

途锐4.2基本型

锥口19"14*1.5螺杆

255/55 R18

途锐4.2基本型

锥口19"14*1.5螺杆

255/60 R19

途锐4.2顶级型

锥口19"14*1.5螺杆

265/50 R19

途锐08款6.0W12顶级版

锥口19"14*1.5螺杆

275/40 R20

辉腾3.2

锥口19"14*1.5螺杆

235/50 R18

辉腾3.6

锥口19"14*1.5螺杆

235/50 R18




高尔/GOL 1.6-04款

锥口17"12*1.5螺杆

195/65R15

宝来/高尔夫-04/05/08款

锥口17"14*1.5螺杆

205/55 R16

高尔夫2010款1.6舒适/1.4T

锥口17"14*1.5螺杆

225/45R17

高尔夫2010款1.6舒适/1.4T

锥口17"14*1.5螺杆

225/40R18

宝来

锥口17"14*1.5螺杆

205/50R17

捷达1.6 GIF前卫型

锥口17"12*1.5螺杆

195/50 R15

开迪

锥口17"12*1.5螺杆

195/65 R15

速腾1.4T/1.8T/2.0/09款1.6L

锥口17"12*1.5螺杆

225/45R17

CC

锥口17"12*1.5螺杆

235/45 R17

CC

锥口17"12*1.5螺杆

245/40R18

速腾09款1.8TSI

锥口17"12*1.5螺杆

225/45 R17




POLO劲情 1.6

锥口17"14*1.5螺杆

195/55 R15

POLO劲情 1.4-09款

锥口17"14*1.5螺杆

185/60 R14

帕萨特领驭1.8T/2.0

锥口17"14*1.5螺杆

205/55 R16

帕萨特领驭/B5

锥口17"14*1.5螺杆

215/55 R17

帕萨特领驭/B5

锥口17"14*1.5螺杆

205/60 R16

帕萨特领驭/B5

锥口17"14*1.5螺杆

235/45R18

桑塔纳

锥口17"14*1.5螺杆

195/60 R14

朗逸 LAVIDA

锥口17"14*1.5螺杆

195/65 R15

朗逸 LAVIDA

锥口17"14*1.5螺杆

205/55R16

朗逸 LAVIDA

锥口17"14*1.5螺杆

205/50R17


朗逸 LAVIDA

锥口17"14*1.5螺杆

225/45R17



晶锐

锥口17"14*1.5螺杆

195/55R 15

晶锐

锥口17"14*1.5螺杆

205/45 R16

晶锐升级

锥口17"14*1.5螺杆

215/45R17

明锐

锥口17"14*1.5螺杆

195/55 R15

明锐

锥口17"14*1.5螺杆

205/55 R16

明锐

锥口17"14*1.5螺杆

225/45R17

速派

锥口17"14*1.5螺杆

235/40R19




X5 3.0i-06款

锥口14*1.5螺杆

235/65 R17

X5 4.8si/3.0-08款

锥口14*1.5螺杆

255/55 R18

X5 2010十周年纪念版

锥口14*1.5螺杆

255/50 R19

275/40R20

X6 xDrive35i

锥口14*1.5螺杆

255/50 R19

X6 xDrive50i/X6 M

锥口14*1.5螺杆

275/40 R20

315/35 R20

X6 xDrive50i/X6 M


285/35 R21

锥口14*1.5螺杆

225/60 R17

X3 xDrive30i

锥口14*1.5螺杆

245/50 R18

X3 xDrive30i

锥口14*1.5螺杆

245/45R19

X1 xDrive28i

锥口14*1.5螺杆

225/50 R17

锥口14*1.5螺杆

225/45 R18

Z4 04款3.0/06款
3.0si/09款23i

锥口14*1.5螺杆

225/45 R17





308

锥口17"12*1.25螺杆

205/55 R16

308

锥口17"12*1.25螺杆

225/45R17

508

锥口17"12*1.25螺杆

215/60R16

赛欧

锥口17"12*1.5螺杆

185/60 R14

凯越 /HRV

锥口19"12*1.5螺母

195/55 R15

凯越

锥口19"12*1.6螺母

185/65 R14

英朗GT

锥口19"12*1.5螺母

205/60R16

英朗GT

锥口19"12*1.5螺母

215/50R17

威朗

锥口19"12*1.5螺母

205/55R16

威朗

锥口19"12*1.5螺母

225/45 R17

新君威

锥口19"12*1.5螺母

225/55 R17

新君威

锥口19"12*1.5螺母

245/45 R18

新君威

锥口19"12*1.5螺母

245/45R19

昂科拉

锥口19"12*1.5螺母

215/55R18

新君越

锥口19"12*1.5螺母

225/60 R16

新君越

锥口19"12*1.5螺母

225/55 R17

新君越

锥口19"12*1.5螺母

245/45 R18

GL8

锥口19"12*1.5螺母

225/60 R17

昂科威

锥口19"12*1.5螺母

225/65 R17

昂科威

锥口19"12*1.5螺母

235/50 R19

林荫大道3.6/2.8

锥口19"12*1.5螺母

225/55 R17

林荫大道3.6/2.8

锥口19"12*1.5螺母

225/60 R16

陆尊

锥口19"12*1.5螺母

225/60 R16

荣御2.8

锥口19"12*1.5螺母

225/55 R16

新君越

锥口19"12*1.5螺母

225/55 R17

新君威

锥口19"12*1.5螺母

225/55 R17




新嘉年华

锥口19"12*1.5螺母

185/55 R15

翼博

锥口19"12*1.5螺母

205/60 R16

翼博升级

锥口19"12*1.5螺母

215/50 R17

福克斯1.8

锥口19"12*1.5螺母

195/65 R15

福克斯1.8

锥口19"12*1.5螺母

205/55R16

福克斯2.0

锥口19"12*1.5螺母

215/50 R17

福克斯2.0

锥口19"12*1.6螺母

235/40R18

翼虎

锥口19"12*1.7螺母

235/50 R18

翼虎

锥口19"12*1.8螺母


锐界

锥口19"12*1.9螺母

245/60 R18

锐界

锥口19"12*1.10螺母

245/55R19

锐界

锥口19"12*1.11螺母

245/50R20

蒙迪欧 致胜2.0

锥口21"12*1.5螺母

215/55 R16

蒙迪欧 致胜2.3

锥口21"12*1.5螺母

225/50 R17

蒙迪欧 致胜2.3升级

锥口21"12*1.5螺母

235/45 R18


    以上就是对车轮螺栓螺母的相关分析,欢迎对这个问题有兴趣,有研究或有相关数据的同行留言交流。


 





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