轿车车轮用螺栓轴力设计与测试应用

刘增杰 周杰 杜青春 吴坤鹏

摘要： 在测试技术飞速发展的今天，轴力监测在失效预防中发挥的作用越来越重要，伴随着传感器技术的进步，无线传输技术的成熟，综合技术的应用发挥其作用。本文主要对汽车车轮用测试应力螺栓设计进行阐述，详细说明了轴力螺栓的制作与数据采集应用方案，并对测试意义进行了评估。

Abstract： With the rapid development of testing technology， axial force monitoring is playing a more important role in failure prevention nowadays. Comprehensive technology becomes popular as the advancement of sensor technology and the maturity of wireless transmission technology. This article mainly elaborates the design of test stress bolts for automobile wheels， and the production and data collection application schemes of axial force bolts. It also evaluates the significance of the test.

關键词： 汽车车轮用螺栓;设计制作;应力测试

Key words： bolts for automobile wheels;design and production;stress test

中图分类号：U472.43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）17-0029-02

0  引言

螺栓紧固件大家都熟悉，日常机械中也比较常用，在航空航天、汽车交通、通信等领域中应用十分广泛。螺栓是紧固连接零件，在日常使用中会受到拉力与压力，还有安装时螺栓受到禁固力，如果设计不完善或出现过载会导致螺栓断裂连接失效。在汽车部件应用中涉及到人身安全的领域，出现事故后会造成的人身财产损失。直接对螺栓进行准确的监测与控制受到的轴向应力，对与失效前控制降低损失有相当的重要的意义。螺栓轴向力虽然存在通用计算方法得到粗略的螺栓轴向力，但由于螺栓在安装使用过程中所受影响因素比较多，计算值存在一定的误差。对相应扭矩下的螺栓轴向力进行测试可以直接得到螺栓此时的应力值，对轴向力进行监控可以提前监测到异常，及时更换新螺栓等方式进行处理，避免损失。

1  轿车用车轮轴力螺栓的设计制造。

1.1 物料分析

1.1.1 轿车车轮紧固螺栓形式分析。市场上轿车车轮螺栓直径基本分为M12、M14、M16、M18、M20等五种种类，而螺距又以1.25mm和1.5mm为常用规格，此外还包括螺距1.75mm、2mm、2.5mm等特殊规格。我国乘用车市场中常用螺栓规格一般为M12*1.25、M12*1.5、M14*1.5。

1.1.2 轴力传感器也是应变计，原理为当粘贴在结构物体上的应变计感受到结构物体产生变形时，应变计同步进行变形，应变计内部的金属电阻在变形时，电阻产生相应的变化，通过检测电阻的变化而对应变进行测定，进而通过应变计算应力。应变计它主要由4部分组成[1]。①由电阻丝制成的敏感栅;②衬底和保护层：起绝缘作用;保护层起保护电阻丝的作用;③粘合剂：它将电阻丝与衬底粘贴在一起;④引出线：它起连接测量导线的作用。目前市场上品牌与规格型号繁多，栅长或者面积从几毫米到几十厘米，应变计电阻值：60、120、350、500、1000欧姆等，应变计规格单轴、双轴、三轴、四轴、单轴5片、双轴5片等，根据用途分为水下、耐高温、木材、混凝土、螺栓等。

1.1.3 应变分析仪。应变仪确切名称为电阻应变仪[2]，是利用金属的应变-电阻效应制成的电阻应变仪，通过测量电阻变化，间接测量应力。电阻应变仪实质上是测量电阻变化，但用应变刻度读数显示，一开始的电阻应变仪一般用指示电表指示或用记录仪记录。随着电子技术的发展，出现了数字式应变仪，它直接用数字显示应变，可进行多点应变快速测量，对于随时间变化很快的动态应变信号，发展了数据采集装置和系统，它由计算机进行操作，可进行实时数据采集、传送、储存和处理。目前有无线传输与有线传输，试用于不同的场景，动态测试时需要采用无线传输或者滑环方式。

1.1.4 应变胶粘剂[3]，俗称为胶水。可以把应变计粘接在试件上，保证传递一致。应变胶粘剂应有较好的粘接性能、一定的线膨胀系数、较低的固化收缩率、不蠕变、无滞后等。如使用温度范围比较宽、可在室温固化的环氧型应变胶;在接近绝对零度（-273摄氏度）的超低温下仍有延伸率、在260摄氏度时可连续工作的酚醛-环氧型应变胶;可在-269～+280摄氏度以及核辐照条件下使用，可用于大应变测量的聚酰亚胺应变胶;适用于大应变（即塑性应变）测量，应变范围可达10-15的合成橡胶类应变胶;可用于400摄氏度下高温应变测量，以有机硅加入无机填料为基料的耐高温应变胶;可以瞬间或快速枯合的α-氰基丙烯酸酷应变胶或聚醋应变胶等。各种应变胶根据使用条件。用于制作和粘贴电阻应变片，是各种应力应变测量和传感器制造中的关键材料之一广泛用于机械、航空、化工、原子能、商业等部门的测量、控制和称重工作自动化过程。

1.2 轴力螺栓的组装

①选择车轮匹配的螺栓，在螺栓顶部打孔，选择Φ2mm-Φ2.1的钻头，孔壁需要有一定的粗糙度;對螺栓采用超声波进行清洗，清洗时可以适当加入清洗液，多次清洗到目视无杂质为止，然后使用高低温试验箱进行烘干。考虑螺栓强度原因，应变计传感器选择Φ1.9mm应变仪传感器或者低于Φ2mm，不限定品牌，选择应力测试仪包含的规格。应变计使用使用前进行阻值测量与外观检查，采用目视进行或者借助显微镜等仪器进行，目的在于观察敏感栅有无损坏或者存在缺陷，引线是否完好。测量四分之一桥测量电阻，检查是否有断路、短路，电阻值是否一致。

②根据螺栓使用部位决定应变计粘贴的深度，保证应变计敏感栅的中心位置在螺栓受力的中心，同时在应变计上进行标记，方便粘贴时进行深度定位，保证同批次制作完成的轴力螺栓一致性。

③用注射器吸取配置好的胶水，注意根据胶水粘稠度选择注射器针头的粗细，先加注胶水到孔的底部，一边加注一边往外移动，保证胶水及时的补充空余部位，待孔内全部是胶水后，压入应变计传感器，应变传感器占用体积排除的胶水正好为顶部封闭使用。放入深度为应变计标记位置。将轴力螺栓垂直放置，有条件的可以将轴力螺栓放入真空设备中进行抽真空，以便排除胶水中的空气。

④根据胶水的要求进行固化，室温或者高温箱处理。胶水粘结剂初步固化后，即可进行测量线的焊接工作。应变计和测量线间的连接最好通过接线端子，焊点确保无虚焊。测量线最好与试件绑扎固定，测量线两端根据测点的编号作好标记。结构如图1所示。[2]

⑤对贴片进行检查，查看外观、测量电阻。测量电阻值可以检查有无断路、回路、粘贴的状态。

⑥对传感器进行校准，根据螺栓规格制作对应夹具，让螺栓自由受力，校准设备可以采用拉伸试验机进行。得出校准系数及评价线性关系，轴力螺栓制作完成。校准曲线如图2所示。

2  轴力测试

①把轴力螺栓安装到测试设备或者车辆车桥上，注意需要使用车轮匹配的螺栓或者螺母，保证其匹配性。安装车轮，采用车辆要求的紧固力矩的10%对所有螺栓进行预紧固，然后依次紧固到车辆要求的力矩值。安装过程中注意线路不能折断挤压。

②连接应变分析仪的传输或者滑环部分，需要注意线路的对应性，启动应变测试仪逐个进行测试连接，确认信号是否正常，确认无误后手动缓慢试运行查看设备状态，确认全部正常时开启测试设备进行测量，采用无线传输的设备需要保证距离在范围内，保证信号强度足够，具体可以查看应变仪说明书，不同厂家会有区别。

③数据的收集，从应变仪中实时读取数据，不仅可以收集恒定状态的数据，也可以收集各种变化条件下的数值，还可以收集螺栓断裂前极限应力数据。数值分析可以评价设计合理性，极限状态下的数值可以作为安全限值进行监控管理。如图3所示[3]。

3  轴力测试应用

①用于新研发车轮内部实验室验证，轴力测试值评估产品装配尺寸设计的合理性，与制造过程工艺选择的适宜性，装配尺寸与接触位置光洁度直接影响轴力值，同样轴力测试值也可以反馈出装配尺寸状态。②用于新开发车辆路试中的数据收集（实验室试验），可以分析出整个道路循环中各种路段车轮螺栓受力状态，根据受力状态对螺栓的选择合理性进行评估，并修订评价设计选择标准，选择合理成本的物料。③日常车辆行驶中监控，日常行车中实时监控螺栓力值，出现一个螺栓异常断裂时能及时出现报警。对车轮几个螺栓进行实时监测，当有一个螺栓在断裂前或者出现裂纹后，对应的轴力会出现异常变化，出现异常后可以针对性进行检查更换，避免引发多个螺栓断裂，最终车轮飞出发生安全事故。

4  结束语

本设计详细说明了轴力螺栓的设计制作过程，可以根据需要选择适合品牌的物料，给使用者预留了更大的空间，并对重点关键项目进行了说明，保证了实施的可行性。本撰写小组亲自进行组装验证，并测试选择了2个厂家的设备，分别使用了滑环与无线传输，均得到了满意的结果。随着安全需求的增加及自动化监控的发展，实时监测螺栓力值可以参照《轮胎压力检测系统的设计与仿真》中轮胎监测的方式[4]，嵌入到汽车系统中，为客户提供更加安全的行车保障。

参考文献：

[1]电阻应变计;百度百科（网址http：//baike.baidu.com/view/485301.html）;2008-04-20[Z].陕西省名牌产品年鉴. 2013.

[2]一种便携式静态电阻应变仪201920069261.7.江苏创汇电气科技有限公司;实用新型专利;2019-01-14 00：00：00.0000000.

[3]应变胶粘剂;百度百科（网址：http：//baike.baidu.com/view/21615899.html）;2019-08-20.

[4]梁东云，杨琳，吴晓云，孙皓楠.轮胎压力检测系统的设计与仿真[J].系统仿真技术，2020.