某皮卡車后橋輪胎螺栓斷裂問題分析及優化

曾德欽（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某皮卡車后橋輪胎螺栓斷裂問題分析及優化

曾德欽
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：文章主要通過對某皮卡車后橋輪胎螺栓斷裂問題進行分析，找出了螺栓斷裂產生的原因和機理，并相應進行了改進設計，最后對改進設計的樣件進行了實物驗證，證明了改進是有效的。通過本次故障分析和優化設計，也為同類結構的輪胎螺栓設計提供了幾個關鍵控制因素，為解決同類問題提供可供參考的思路。

關鍵詞：輪胎螺栓；車輪螺母；擰緊力矩

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.023

CLC NO.: U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-59-04

引言

輪胎螺栓是后橋上一個十分重要的緊固件，其功用是用來固聯輪轂與輪盤，通過車輪螺母將車輪總成固定在后橋上，使車輪實現其承載和傳遞動力的作用。在汽車行駛過程中，如果出現輪胎螺栓松動乃至折斷，將嚴重危及車輛的行駛安全。

某皮卡車經過10000km強化路試驗后，發生輪胎螺栓斷裂、輪胎脫落的問題。本文通過對輪胎螺栓斷裂的分析，探究其故障原因，并提出優化措施，為解決類似問題提供一條可參考的途徑。

1、后橋輪胎螺栓斷裂分析

本次研究的某皮卡車型配置的車輪為鋁輪，輪胎螺栓與輪輞不接觸，通過螺母與輪輞的配合錐面提供輪輞的壓緊力，結構見圖1。

試驗場反饋，一試驗車（2#）在經過搓衣板路后右后輪胎螺栓全部斷裂、右后輪脫落，故障發生后檢查發現同批次另外一臺試驗車（1#）也存在輪胎螺栓斷裂問題。接到故障反饋后，立即著手對兩輛試驗車故障車輪、輪胎螺栓進行分析并對其他車輪螺母進行了螺母力矩測試和結果對比。對比結果見表1：

表1　故障車其他輪胎和同批次試驗車車輪螺母力矩對比

經過觀察輪胎螺栓斷面、輪輞螺栓安裝孔已嚴重變形，結合螺母貼合面磨損，斷掉的螺栓帶螺母已非常松動，未動的左后輪扭矩較小的現象，且前期可靠性車輛均未出現該問題，可初步判定故障為車輪螺母松動，無法提供足夠壓緊力，輪輞與制動鼓發生相對運動，輪胎螺栓受剪切應力最終斷裂。螺栓斷裂的機理有下述三個方面可能：

（1）螺栓強度不足，不能提供足夠的壓緊力：螺栓設計強度不足、故障螺栓存在質量問題；

（2）下線扭矩不滿足要求：裝配扭矩過?。菽杆蓜樱?、裝配扭矩過大（螺栓屈服、輪輞螺栓孔螺母裝配面屈服）；

（3）車輛試驗過程中扭矩衰退：輪輞與螺母配合一致性差、車輪螺母與輪胎螺栓配合差、輪輞與制動鼓配合差、特殊路況沖擊、裝配力矩過大導致的輪輞接觸表面變形；

上述三個方面中各個原因都會直接或間接地導致車輪螺母與輪胎螺栓發生松動，最終導致輪胎螺栓斷裂。下文中將逐個驗證上述各因素對該螺栓斷裂問題的影響，排除干擾因素，從而找到主因，并實施相應的改進措施。

1.1 螺栓強度及擰緊力矩設計校核

為了判定螺栓強度及設計的螺母擰緊力矩是否滿足使用要求，我們對故障車及競品進行了螺栓尺寸及擰緊力矩的對比，并重新進行了擰緊力矩設定和強度疲勞理論計算校核。

對比結果數據見表2：

表2　螺栓型號及擰緊力矩對比

從結果數據可以看出，該款皮卡車型與競品所用輪胎螺栓大小及性能等級相同，擰緊力矩的設定也與競品車型基本一致。

擰緊力矩設定和強度疲勞理論計算校核結果見圖2、圖3。

由圖2、圖3可以看出，螺紋摩擦系數對螺栓的屈服扭矩和螺母擰緊力矩的設定有很大影響。一般設計時螺紋摩擦系數取0.14～0.17的范圍，滿足要求的擰緊力矩范圍在80～173N·m，最優范圍100～143N·m，小于80 N·m時螺栓受剪切力，大于173 N·m螺栓疲勞不滿足使用要求，大于240N·m時螺栓屈服。

結合對比結果和設計校核，螺栓的型號、強度等級，螺母的擰緊力矩都沒有問題，不是該螺栓斷裂問題的重要影響因素。

1.2 螺栓材料、強度及硬度檢測

我們通過試驗檢測故障件螺栓及新的輪胎螺栓的材料、強度和硬度確認是否與設計要求一致，并和競品進行對比，以判斷其是否滿足要求。材料化驗結果見表3，檢測結果見表4、表5：

表3　輪胎螺栓材質化驗報告單

化驗結果顯示螺栓材質為35CrMo，與設計要求一致。

表4　螺栓硬度檢測結果

表5　螺栓拉力試驗結果

從檢測結果可以看出，開發件、故障件螺栓硬度與競品相當都滿足34～40HRC的設計要求，開發件和故障件螺栓抗拉強度在106～110KN之間，優于競品104.42KN，皆滿足GB/T 3098.4《緊固件機械性能》標準，可以確定螺栓強度沒有問題，且當螺母力矩大于200時未出現螺栓屈服現象。

1.3 車輪螺母分析

此車型車輪螺母為借用公司成熟平臺產品，沒有收到市場的問題反饋。通過檢查技術文件對螺母精度、材質及保證應力進行確認，結果如圖4、圖5所示：

從技術文件可以確認，螺母精度、材質、保證應力及螺母錐面錐度都符合設計要求。

1.4 輪輞孔與輪胎螺栓、輪輞與車輪螺母配合面分析

（1）螺栓孔及螺栓位置度檢測

開發廠家半軸螺栓孔位置度和壓裝后螺栓位置度都是通過檢具進行檢測的，檢具及檢測視圖如圖6、圖7所示：

經咨詢國內多家后橋廠家，半軸螺栓孔位置度、壓裝后螺栓位置度都是通過檢具檢測，產品生產過程檢測率100%。

（2）輪輞硬度及位置度分析

該皮卡輪輞是結合供應商皮卡平臺和公司成熟產品設計要求進行開發，已經過臺架試驗和市場雙重驗證。我們通過對輪輞螺栓孔的尺寸精度、技術要求的檢查，確認輪輞是否滿足設計要求。輪輞的具體尺寸如圖8所示，輪輞螺栓孔位置度見表6。

國內輪輞已實現平臺化開發，具體技術要求：材料A356、車輪PCD錐面硬度HB80±10、輪心硬度HB70～105，開發件經檢測滿足設計要求。

表6　輪輞螺栓孔位置度檢測結果

檢測結果滿足設計要求＜0.25mm。

1.5 生產線下線車扭矩分析

目前皮卡與乘用車一致，在裝車輪時，預裝螺母，然后用擰緊機擰緊，車輛下線前（整車液體加注工序附近）人工用扭力扳手定扭。通過對下線車扭矩的多輪跟蹤確認裝車狀態扭矩是否滿足要求，檢測結果如表7所示：

表7　下線車車輪螺母力矩檢測結果

從生產線抽查結果看，所有螺栓扭矩都在100～140N·m之間，結果比較穩定，符合設計要求。

綜上分析得到以下幾點結論：

1. 螺栓規格：經過計算和與競品對比，皮卡螺栓規格大小滿足要求；

2. 扭矩設定：螺紋摩擦系數在0.14～0.17范圍內，滿足要求的擰緊力矩范圍在80～173N·m，小于80 N·m時螺栓受剪切力，大于173 N·m螺栓疲勞不滿足使用要求，大于240N·m時螺栓屈服，（實測強度皆大于理論要求8%以上）；

3.螺栓、螺母、輪輞經分析檢測無質量問題；

4.生產線對車輪螺母的打緊力矩完全按設計要求操作，車輛下線時扭矩范圍滿足要求，車輛發生故障時所測得扭矩發生較大變化為試驗過程中發生。

2、試驗車優化驗證

故障發生現場檢測車輛扭矩信息后，我們對兩輛試驗車各車輪的車輪螺母進行了重新定扭，原扭矩要求為110± 10N·m，根據計算符合要求的擰緊力矩范圍及競品車型的要求，將扭矩要求優化至120±10N·m，定扭120N·m，并進行了反復跟蹤，檢查結果如表8、表9：

表8　第一次重新定扭后扭矩跟蹤結果

表9　第二次重新定扭后扭矩跟蹤結果

根據第一次跟蹤試驗的結果，1#車由于試驗場重新裝配時未定扭，車輪螺母力矩都在140N·m以上，其中75%在175N·m以上且有逐漸變大的趨勢。 2#車在3月20日更換后橋半軸帶輪邊、車輪和車輪螺母后試驗場未進過處理，扭矩狀態較好，除一個180N·m外，其他都位于100～130N·m之間，結果基本保持在要求范圍內（間隔里程為強化路4500Km）。

第二次定扭跟蹤檢測結果顯示，兩輛試驗車所有車輪螺母定扭120N·m，試驗場未做處理，車輪螺母路試后未出現明顯扭矩突增和衰退的現象，結果數據都在100～140N·m之間，滿足設計要求（試驗里程強化路6800km）。

小結：結合兩次重復定扭路試后車輪螺母力矩檢測結果，定扭120N· m車輛在可靠性強化路過程中不會出現螺母力矩突增和大幅衰退現象，螺母力矩變大是由于試驗場裝配螺母時未定扭螺母打緊力矩過大。

3、結論

經過對各個影響因素的充分分析，可確定該試驗車螺栓斷裂的主要原因為試驗場裝配螺母時未定扭，螺母打緊力矩過大導致輪輞螺栓孔螺母安裝面變形，長時間試驗后螺母松動，輪胎螺栓與車輪螺母配合無法提供足夠的預緊力，輪輞與制動鼓貼合面發生相對位移，進而對螺栓形成剪切，最終導致螺栓逐個斷裂，輪胎脫落。

通過本次螺栓斷裂問題的處理，后期輪胎螺栓的開發過程中應重點關注以下幾點：

1.螺栓尺寸、強度等級的選取，螺母擰緊力矩設定及計算校核；

2.螺栓位置度要求及實物狀態與數據的一致性檢查；

3.輪輞螺栓孔結構與螺母安裝面的匹配設計、位置度要求；

4.生產、試驗各環節必須嚴格按照設計技術文件要求進行操作。

參考文獻

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The pickup truck rear axle tire bolts fracture problem analysis and optimization

Zeng Deqin
( Anhui jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract:This article mainly through to a pickup truck rear axle tire bolts fracture problems were analyzed, and find out the reason and mechanism of fracture of the bolt and the corresponding improvement design. Finally to improve the design of sample physical verification, proved that the improvement is effective. Through the failure analysis and design optimization, but also for the similar structure of the bolt design provides several key control factors, providing a reference method to solve the same problem.

Keywords:tire bolt; wheel nut; tightening torque

作者簡介：曾德欽，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

中圖分類號：U463

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-59-04