鎂合金車輪裝配工藝分析

原燕波　蘇雨濤　孫權友

摘 要：車輪是一輛汽車必不可少的重要部件，隨著人們對汽車性能和節能需求的增加，要求減少車輪的重量，輪轂的材質開始發展為鎂合金，由于輪轂材質發生了變化，原來的鋁合金輪轂與鋼鐵螺栓的摩擦副改變為鎂制輪轂與鋼鐵螺栓的摩擦副，這些變化必然會影響車輪的裝配效果，文章主要采用螺紋接頭測試的方法，測量車輪裝配工位的連接件特性，評估鎂合金當前裝配方法的合理性。關鍵詞：鎂合金車輪;螺紋連接;裝配工藝中圖分類號：U466? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）01-161-03

Abstract： The wheel is an indispensable part of a car. As people's demand for car performance and energy saving increases， the weight of the wheel is required to be reduced. The material of the wheel hub begins to develop into a magnesium alloy. The original aluminum alloy has changed due to the material of the wheel hub. The friction pair of the hub and the steel bolt is changed to the friction pair of the aluminum hub and the steel bolt. These changes will inevitably affect the assembly effect of the wheel. This paper mainly uses the method of the threaded joint test to measure the characteristics of the joint of the wheel assembly station and evaluate the magnesium and the rationality of the current assembly method of the alloy.Keywords： Magnesium wheel; Bolt joint; Tightening processCLC NO.： U466 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-161-03

1 背景

車輪是一輛汽車必不可少的重要部件，車輪的好壞，包括車輪質量及其安裝螺栓會直接影響汽車的性能及其安全[1]。目前車輪輪轂的材質都是鋁合金，隨著人們對汽車性能和節能需求的增加，要求減少車輪的重量，輪轂的材質開始發展為鎂合金。由于輪轂材質發生了變化，原來的鋁輪轂與鋼鐵螺栓的摩擦副改變為鎂制輪轂與鋼鐵螺栓的摩擦副，這些變化必然會影響車輪的裝配效果，即作用于輪轂、剎車盤和軸承法蘭的螺栓夾緊力會受到影響，易造成車輪螺紋接頭的夾緊力不足，最終在某些惡劣工況下發生車輪螺栓松動，乃至螺栓斷裂等一系列問題。本文主要采用螺紋接頭測試的方法，測量車輪裝配工位的連接件特性，評估當前裝配方法的合理性。對鋁車輪和鎂車輪采用同樣的工藝參數進行擰緊，通過對比不同材質車輪夾緊力與扭矩的關系，分析相同的工藝參數是否適用。

通過研究得出以下結論：1、由扭矩-夾緊力數據知，鎂合金車輪與鋁合金車輪提供的夾緊力基本一致;2、鎂合金車輪螺桿破壞扭矩為200Nm，裝配扭矩為110Nm時利用率為55%-65%，利用率合理;3、連接系統失效模式為螺桿斷裂，失效模式合理。

2 驗證方法

螺紋接頭測試是利用超聲波的方法來測量在以一定扭矩安裝時螺栓上產生的拉伸力，用螺栓的拉伸力作為評價螺紋接頭性能的一個指標。接頭性能包含如下一項或幾項：接頭的扭矩能力、接頭的預緊力水平、接頭剩余夾緊力和扭矩水平以及接頭承受橫向剪切靜載荷能力。對應的試驗項目：扭矩-角度破壞試驗、扭矩-角度-夾緊力試驗、殘余扭矩-夾緊力試驗以及抗橫向載荷能力試驗。螺紋接頭測試因能夠有效地預防試裝、試驗過程中螺紋接頭失效，驗證接頭失效模式，提前發現問題，優化裝配擰緊工藝，已被廣泛地應用到新車型開發設計過程中。

2.1 試驗設備和軟件

2.1.1 BLM5000 and TPT200/100-夾緊力傳感器

2.1.2 MC900-超聲波分析儀及配套軟件

2.2 測試流程

工藝參數驗證主要按照以下五個步驟：

第一步：螺栓處理

（1）記錄螺栓尺寸及機械強度信息;

（2）測量螺栓夾持長度;

（3）螺栓表面處理（粗糙度等級小于N7且保證頭尾水平）;

（4）粘貼超聲波貼片，如下圖3所示。

第二步：螺栓特性標定

（1）使用超聲波分析儀和夾緊力傳感器獲得螺栓特性曲線，即夾緊力與螺栓伸長量的線性關系;

（2）在螺栓標定時，務必確保螺栓夾持長度與實際生產裝配時的一致性。

第三步：測量螺栓的初始長度（未擰緊，無負載狀態）

（1）使用超聲波分析儀測量螺栓初始長度;

（2）以螺栓特性曲線作為參考依據，如下圖所示。

第四步：在擰緊的過程中執行動態超聲波測試

（1）使用超聲波分析儀采集包含夾緊力、扭矩、轉角、轉速以及時間等參數的動態曲線;

（2）3分鐘以后再次測量殘余夾緊力;

（3）為了有效地統計測試數據的離散度，每項試驗共進行5組測試。

第五步：分析動態超聲波測試曲線

（1）比較特定扭矩（110Nm）下不同材質輪轂的夾緊力水平及其離散度;

（2）通過評估螺栓利用率來判斷擰緊工藝是否合適。

3 試驗內容

3.1 工藝參數

表1所示為車輪擰緊工藝相關參數，涵蓋車輪螺栓尺寸規格、機械強度、夾持長度、擰緊力矩。

3.2 測試數據分析

通過對鋁制車輪的扭矩轉角失效曲線分析，我們可以清晰地發現車輪螺栓的屈服扭矩約為156.0Nm，破壞扭矩約為164.2Nm。擰到110Nm時，此時螺栓的夾緊力范圍為55.4～ 62.1KN，螺栓利用率約為60.5～67.8%，完全符合扭矩控制法推薦的螺栓利用率區間（測試數據詳見表2）。對鋁制車輪而言，車輪螺栓擰緊到110Nm可以確保在不發生螺栓過載失效的前提下達到較高的夾緊力水平，能夠有效地防止螺栓松脫。

通過對鎂制車輪的扭矩轉角失效曲線分析，我們可以清晰地發現此時車輪螺栓的屈服扭矩約為200.1Nm，破壞扭矩約為235.5Nm。擰緊到110Nm時，此時螺栓的夾緊力范圍為39～44KN，螺栓利用率約為55～65%，車輪螺栓擰緊到110Nm可以確保在不發生螺栓過載失效的前提下達到較高的夾緊力水平，能夠有效地防止螺栓松脫。

4 結論

（1）由扭矩-夾緊力數據知，鎂合金車輪與鋁合金車輪提供的夾緊力基本一致，目前工藝可以滿足鎂合金車輪裝配要求。

（2）鎂合金車輪螺桿破壞扭矩為200Nm，裝配扭矩為110Nm時利用率為55%-65%，利用率合理。

（3）連接系統失效模式為螺桿斷裂，失效模式合理。

參考文獻

[1] 錢海挺，饒麗芳，等，車輪螺栓夾緊力的影響因素分析[J].機械強度， 2015（3）：440-444.