三代輪轂軸承車輪螺栓斷裂的機理分析

陳陽，劉志潘，費二威，高尚，侯杰，謝丹彤

三代輪轂軸承車輪螺栓斷裂的機理分析

陳陽，劉志潘，費二威，高尚，侯杰，謝丹彤

（中國第一汽車股份有限公司，吉林 長春 130013）

通過對某B級車三代輪轂軸承的車輪螺栓斷裂問題進行分析，從材料檢測、CAE分析和軸向夾緊力的角度明確問題發生的原因和機理，提出優化方案并通過考核車輪螺栓的整車試驗驗證。通過本次問題的解決，為同類結構的車輪螺栓斷裂問題提供了排查思路和解決方案。

三代軸承；車輪螺栓；應力集中；軸向夾緊力

前言

目前為滿足乘用車輕量化、集成化設計要求，通常將車輪螺栓通過花鍵配合集成在三代輪轂軸承上，擰緊車輪螺母旋入車輪螺栓配合，將車輪和制動盤夾緊。控制車輪螺母擰緊力矩工藝，以提供有效的軸向夾緊力，防止緊固件松動，保證車輪可以穩定的實現承載和傳遞扭矩。如果預緊有效軸力不足，該套緊固件松動將會使車輪螺栓應力集中處承受異常的彎曲載荷，產生疲勞源并擴展，最終導致車輪螺栓疲勞斷裂。

1 車輪螺栓斷裂分析

1.1 問題背景和裝配結構

某B級車考核車輪螺栓的整車試驗過程中，在車輛行駛700~900圈時集中出現前輪軸承螺栓斷裂問題，該試驗考核目標為3600圈。試驗車每圈經過5次急轉彎，急轉彎時單側車輪著地，試驗時直線段最高車速為75km/h，彎道部分最高車速為30-40km/h，根據現場采集的六分力路譜轉化，急轉彎時車輪垂直方向和側滑方向的加載力為2G（11.71kN）。

車輪螺栓材質為SCM435，規格為M12×1.5，性能等級為10.9級，先熱處理后滾制螺紋，表面摩擦系數為0.08~0.14，表面處理為Fe/Zn-Al.D（電鍍鋅鋁）。車輪螺母擰緊工藝為（125±15）N.m，表面處理為電鍍MFCrT5（電鍍鉻），與車輪錐面配合。該車輪螺栓周圍的輪邊相關件具體裝配結構如圖1所示，車輪螺母與車輪螺栓螺紋配合擰緊，將鋁合金車輪、制動盤固定到輪轂軸承上。

圖1 輪邊結構示意圖

1.2 斷裂形貌分析

如圖2所示，螺栓斷裂的位置大致相同，都是在螺紋收尾位置，輪轂軸承法蘭面的發生明顯的銹蝕及磨損痕跡，這是因為車輪螺母松動后，在外載的作用下，輪轂軸承法蘭面與制動盤發生了相對運動，螺栓承受異常的彎曲載荷，在應力集中處發生斷裂。校核失效試驗車車的車輪螺母擰緊力矩，擰緊力矩衰減量在±5%范圍內，滿足設計要求，這說明造成松動的原因為擰緊力矩轉化的有效夾緊軸力不滿足設計要求[1]。采用電鏡掃描后，該螺栓端口形貌具有明顯的疲勞開裂特征，改疲勞源起于螺紋表面，沿著箭頭方向擴展，最終導致車輪螺栓發生疲勞斷裂[2]。

圖2 車輪螺栓宏觀和微觀形貌圖

2 理化分析

表1 螺栓的化學成分檢驗結果

在尺寸檢測合格的基礎上，對失效的車輪螺栓和未斷螺栓進行理化性能檢驗，如表1~表4所示，1#樣件為斷裂樣件，2#和3#樣件為未斷樣件。螺栓的材料的化學成分參考ML35 CrMo技術要求，根據GB/T 6478-2001標準檢驗，螺栓材料只要滿足性能要求即可。車輪螺栓的組織為淬火高溫后回火索氏體組織，晶粒大小適當，金屬流線分布及夾雜物分布均未見異常[3]。螺栓的維氏硬度HV30和脫碳試驗檢驗結果符合GB/T 3098.1中10.9級技術要求，可排除螺栓機械性能不合格導致失效的因素[4]。

表2 螺栓金相組織檢驗結果

表3 螺栓硬度檢驗結果

表4 螺栓的脫碳試驗檢驗結果

3 CAE強度分析

如圖2所示，螺栓斷裂都發生在螺紋收尾位置附近，故對某B級車緊固結構進行CAE分析，加載點作用于車輪接地點，車輪垂直方向和側滑方向的加載力為2G（11.71kN）。如圖3所示，螺栓按照光桿考慮，2萬次疲勞損傷值小于10-5，滿足強度要求。由于螺紋的存在會使其收尾位置存在應力集中，會加劇車輪螺栓斷裂的發生[5]。如圖4所示的，距離螺栓頭部16mm處應力最小，因此應將此處作為側滑工況下螺紋收尾位置的最佳區域。優化前車輪螺栓螺紋收尾位置（15±1）mm，優化后控制為（16±1）mm。顯然，優化后的螺栓對應力分布更加有利，但是也只能向后延緩螺栓斷裂的趨勢，沒有從根本上解決其承受異常彎曲載荷來源的問題。

圖3 螺栓損傷分布圖

圖4 螺栓應力幅云圖

4 軸向夾緊力測量與分析

按照某B級車整車相關參數和路鋪載荷采集結果，進行VDI螺栓校核計算，緊固件夾緊設計上需求最小軸力為31KN，安全擰緊系數為1.26。

4.1 重復擰緊試驗

如圖5所示，利用MCI軸力測量試驗，采用車輪螺母擰緊工藝力矩上限值140N.m，對輪轂軸承總成進行40次重復擰緊試驗，車輪螺母的擰緊曲線見圖6，過程中軸承螺栓均未發生斷裂，說明在擰緊工藝力矩范圍內擰緊過程不會造成車輪螺栓斷裂問題。

圖5 軸力測試設備圖

圖6 40次重復擰緊曲線圖

4.2 車輪螺母表面處理對軸力影響分析

在上述擰緊過程中，發現鋁合金車輪的配合錐面出現塑性損傷，甚至被車輪螺母壓潰，同時車輪螺母接觸錐面也磨損嚴重。在結構尺寸符合設計要求的前提下，利用圖4設備，對不同表面處理的車輪螺母進行20次反復擰緊試驗，測量其軸向夾緊力[6]。試驗方案如表5，每種方案測量四組樣件在擰緊工藝力矩上、下限值的軸向夾緊力，試驗結果如圖7所示。

表5 軸向夾緊力試驗方案

從圖7中可以看出，虛線表示設計需求最小軸力31kN，可以看出采用電鍍鋅鎳螺母鎖緊，當按照擰緊工藝力矩下限值首次擰緊后，軸向夾緊力＞31kN，滿足31kN的設計需求，而當按照擰緊工藝力矩上限值首次擰緊后，軸向夾緊力＞45kN；反復擰緊20次后，在擰緊工藝力矩范圍內，均滿足31kN的軸向夾緊力設計需求，如圖8所示，輪轂球窩和螺母配合面僅出現正常的輕微磨損現象，表面沒有明顯的破壞。采用原方案電鍍鉻車輪螺母擰緊后，在擰緊工藝力矩范圍內，其首次擰緊提供軸向夾緊力（11~16.5）kN，而反復擰緊20次后，其提供軸向夾緊力（11.6~16.4）kN，都不滿足31kN的軸向夾緊力設計需求，隨著反復擰緊，如圖9所示，輪轂球窩和螺母配合面磨損嚴重，輪轂球窩已發生顯著的塑性變形。根據以上分析，車輪螺母電鍍鉻表面處理會對鋁合金車輪造成塑性損傷和異常磨損，使螺栓、車輪螺母和輪轂球窩的摩擦系數變大，導致擰緊到目標扭矩時轉化的有效軸向夾緊力減少而不滿足試驗工況，同時軸向夾緊力不足加劇松動的發生，使其承受異常的彎曲載荷，最終發生疲勞斷裂。

圖8 反擰緊20次后電鍍鉻配合錐面形貌圖

圖9 擰緊20次后電鍍鋅鎳配合錐面形貌圖

5 結論

采用優化收尾位置的車輪螺栓和電鍍鋅鎳表面處理的車輪螺母方案重新進行試驗，實驗結果為通過考核車輪螺栓的道路試驗驗證。

在尺寸結構、材料、機械性能均合格的條件下，緊固件軸向夾緊力不足會造成車輪螺母松動，導致車輪螺栓承受異常的彎曲載荷，這是造成三代輪轂軸承的車輪螺栓疲勞斷裂的根本原因。同時優化車輪螺栓的螺紋收尾位置可以改善應力分布，可在一定程度上起到推遲車輪螺栓斷裂趨勢的作用。

車輪螺母的表面處理工藝對緊固件軸向夾緊力建立的影響很大，在相同擰緊工藝力矩要求條件下，表面處理電鍍鋅鎳的車輪螺母比電鍍鉻的車輪螺母可以提供更高、更穩定的軸向夾緊力。

[1] 魏曉曉,孔小兵,莫立權.汽車車輪螺母扭矩衰減分析[J].汽車實用技術,2017,(20):100-101+107.

[2] 郭克剛,李平平,楊勇新.車輪螺栓斷裂分析[J].汽車實用技術,2018, (20):63-65.

[3] 王榮汽車螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗(物理分冊),2005,(09): 471-474.

[4] 宣祎恂,葉晨,馬文清,沈飛,陸喆霄,李佳俊,李振剛.后車輪螺栓斷裂失效分析[J].金屬制品,2018,(05):52-55.

[5] 李靜,吳秋艷.車輪螺栓及車輪螺母設計優化[J].汽車實用技術, 2012,(04):91-93.

[6] 一種車輪螺栓軸力測量裝置:上海,CN208282986U[P].2018-12-25.

The Analysis on the Fracture Mechanism of Wheel Bolts of Three Generation Hub Bearings

Chen Yang, Liu Zhipan, Fei Erwei, Gao Shang, Hou Jie, Xie Dantong

(China FAW Group Co. Ltd., Jilin Changchun 130013 )

This paper analyzes the fracture problem of the wheel bolt of the third-generation hub bearing of a b-class vehicle. The cause and mechanism of the problem are clarified from the perspective of material, CAE analysis and axial clamping force. In this paper, the improved schemes are put forward and the whole vehicle test verification is successfully completed. Based on the solution, the investigation idea and solution can be provided for the similar structure of the wheel bolt fracture problem.

Third-generation hub bearings; Wheel bolts; Stress concentration; Axial clamping force

U463.343

A

1671-7988(2019)18-139-04

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1671-7988(2019)18-139-04

陳陽，碩士，初級工程師，就職于中國第一汽車股份有限公司，研究方向：底盤轉向領域。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.046