车轮螺母表面处理对预紧力的影响

陈传增，宋霞

（1.安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230001；2.安徽安凯客车股份有限公司，安徽 合肥 230001）

前言

车轮连接副是车辆应用极为重要的部件，它的作用是将车轮与轮毂可靠地连接的一起，保证车辆的安全行驶。车轮连接副的失效将导致严重的后果，不但会造成车辆零部件的损坏，还可能造成重大经济损失和人员伤亡。

车轮连接副失效表现形式主要是连接副松脱、螺栓断裂，产生的直接结果就是车轮飞出进而引发事故。通过对多次车轮栓断裂失效的分析，断裂前螺栓副的松动造成预紧力下降，引起车轮与轮毂之间的相对运动，造成螺栓受到车轮安装孔剪切力引发疲劳断裂是主要的原因，所以稳定的预紧力是保证车轮连接正常的重要因素。

图1 车轮螺栓连接副示意图

中国卡车企业车轮紧固大部分是应用自动拧紧机通过固定扭矩的方法拧紧，根据对国内车轮螺栓、螺母的检测，不同厂家、不同表面处理的车轮连接件摩擦系数存在较大差异，采用定扭矩法拧紧就会出现较大的预紧力差异，进而影响车轮的紧固性能。

本文通过理论分析和试验测试，分析不同表面处理方式对车轮螺母摩擦系数的影响，提升车轮紧固的可靠性。

1 连接副预紧力理论分析

设定车轮紧固力矩为T，在力矩T的作用下，在螺栓与车轮轮毂之间产生预紧力F0。由力矩平衡可知，拧紧力矩T等于螺母与螺栓旋合部分（螺旋副）产生的摩擦力矩T1和螺母环形端面与车轮接触面之间的摩擦阻力矩T2之和，即

螺旋副间的摩擦力矩为

ψ为螺纹升角，d2为螺纹中径，φv为螺旋副的当量摩擦角

螺母与支撑面间的摩擦力矩为

D0为接触面外径，d0为安装孔内径，μb为接触面摩擦系数

整理后得：

根据三角函数关系

根据国标螺纹标准，ψ一般在 1°42′～3°2′，有φv=arctan1.155μth，μth为螺纹的摩擦系数，螺纹摩擦系数在无润滑状态下一般为 0.08～0.15，计算得φv范围为 5°16′～9°49′。所以：

带入公式得：

通过公式（10）可知，在连接副结构已定的情况下，采用定扭矩装配法，螺纹摩擦系数μth和接触面摩擦系数μb是影响预紧力的两个因素。

2 应用分析

针对某公司6×4重卡用车轮连接结构，如图2、图3所示：

图2 车轮连接结构

其参数为：P=1.5，d2=21.026，β=30°，D0=46，d0=26带入公式（10）得：

因为重型卡车车轮螺母采用防松垫片组合螺母，所以接触面摩擦系数μb是由螺母与轮辐接触面和螺母与防松垫片接触面之间的摩擦系等效组成的综合接触面摩擦系数。

为研究表面处理对连接副摩擦系数的影响，避免其他因素对测试结果的影响，所做测试采用同批次标准螺栓，规格M22×1.5，所测试螺母采用同批次螺母，仅表面处理工艺不一致，测试支撑面采用车轮轮辐的等效替代垫块，如下表：

表1 连接副和测试设备参数

所测试螺母为实际应用状态，镀锌螺母表进行去油脂处理，磷化螺母表面涂防锈油。

3 测试分析

3.1 螺纹摩擦系数μth分析

表2 μth对比

1）螺纹摩擦系数平均值μth黄锌＜μth白锌＜μth磷化。

2）三种表面处理方式摩擦系数的稳定性，σ黄锌＜σ磷化＜σ白锌，三种表面处理方式μth稳定性较好，波动不大。

3.2 接触面摩擦系数μb分析

表3 μb对比

1）接触面摩擦系数平均值μb黄锌＞μb白锌＞μb磷化，μb黄锌与μb白锌相差不大，但两者与μb磷化差距很大。

2）对三种表面处理方式，接触面摩擦系数的稳定性，σ黄锌＞σ白锌＞σ磷化，且μb磷化的稳定性非常好，μb黄锌与μb白锌波动很大。

分析原因为磷化螺母表面涂抹防锈油，使防松垫片与螺母的配合锥面之间摩擦系数大大减小，且摩擦系数趋于稳定。

3.3 综合摩擦系数μtot分析

表 4 μtot对比

1）综合摩擦系数μtot与接触面摩擦系数μb趋势基本一致。

2）综合摩擦系数平均值μtot黄锌＞μtot白锌＞μtot磷化，镀黄锌与白锌的综合摩擦系数相差不大，磷化处理方式的综合摩擦系数较小。

3）综合摩擦系数的稳定性，σ黄锌＞σ白锌＞σ磷化，且μtot磷化的稳定性非常好，μtot黄锌与μtot白锌波动很大。

测试结果显示μth与μb相差较大，所以μb对μtot的影响大，通过曲线也可以看出，μb与μtot的趋势一致，所以磷化螺母的综合摩擦系数也是最稳定的，μtot磷化在 0.089-0.11之间，对预紧力的控制非常有利。

3.4 预紧力F0分析

表5 F0对比

1）在车轮定扭矩装配中，预紧力 F0的变化趋势与μtot成反向相关性，μtot越大，F0越小。

2）预紧力F0趋势与μtot一致，F0磷化非常稳定。

4 结论

1）通过对车轮螺栓扭矩与预紧力的分析计算，得出在定扭矩装配中预紧力的大小取决于螺纹表面摩擦系数和接触面摩擦系数，且摩擦系数的轻微变化对预紧力有很大的影响。

2）通过对摩擦系数的测定，车轮连接副接触面摩擦系数比螺纹摩擦系数大很多，接触面摩擦系数对综合摩擦系数的影响大。μb镀锌是μth镀锌的 3-4 倍，μb磷化是μth磷化的 2 倍左右。

根据公式 T=F0·（0.2389+12.1394μth+18.4630μb），μb前系数是μth前系数的1.52倍，所以μb对预紧力的影响很大。保证μb的稳定就能更容易保证μtot的稳定，也就更容易保证预紧力的稳定。

3）从测试数据看出，镀白锌与镀黄锌对μb、μth、μtot的影响不大，在没有外加摩擦系数封闭剂的情况下，μth较为稳定，说明该批次螺母螺纹加工和表面处理工艺一致性较好，但是μb存在很大波动，说明接触面，尤其是螺母与防松垫片之间的摩擦系数稳定性很差，但是磷化螺母因为防锈油的原因，接触面摩擦系数非常稳定。

4）通过对正常供货状态不同表面处理形式车轮螺母试验检测，得出，采用磷化处理方式的螺母，在无需使用摩擦系数封闭剂的情况下就能够提供非常稳定的综合摩擦系数，即能提供稳定可控的预紧力，保证连接副连接可靠。

[1] 濮良贵,纪名刚等.机械设计.[M]高等教育出版社.第八版,2006.05.

[2] 谭雄臻,涂德先,吴慧,韦耀华.表面处理对螺栓拧紧特性的影响分析.武汉理工大学学报（信息管理工程版）.2013年8月第4期.