某重型车辆轮辋夹紧螺栓断裂问题分析

张军伟，万 芳，李洪彪，张 生，杨 波，左 霞，付有兵

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

某重型车辆轮辋夹紧螺栓断裂问题分析

张军伟，万 芳，李洪彪，张 生，杨 波，左 霞，付有兵

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

针对某重型车辆轮辋夹紧螺栓断裂问题，通过材料性能测试分析，定位螺栓失效模式为循环拉力作用下的疲劳断裂。通过对轮胎和轮辋的装配体进行受力分析，可知螺栓循环拉力是由地面作用于车轮的垂向力和侧向力所导致。计算得到直线行驶工况、常规转弯工况和极限转弯工况下的螺栓所受循环拉应力，分析可知在极限转弯工况下，螺栓所受循环拉应力大于疲劳强度许用应力，螺栓易发生疲劳断裂。

重型车辆；轮辋夹紧螺栓；断裂；分析

车轮系统是车辆行驶系统中的重要部件，起到支撑整车、缓和路面冲击以及通过与路面间的附着力来产生驱动力和制动力等作用。轮辋是在车轮上安装和支撑轮胎的部件，按照结构类型可分为深槽轮辋、平底轮辋、对开式轮辋，其中对开式轮辋多用于重型车辆［1-3］。

对开式轮辋由内外两部分组成，其内外轮辋的宽度可以相等，也可以不相等，两者用螺栓夹紧。某重型车辆车轮系统采用对开式轮辋，轮辋结构为内宽外窄，中间通过一圈均布螺栓夹紧。

车辆进行高原跑车试验期间，在进行停车检查时发现部分轮辋夹紧螺栓断裂丢失，从找到的螺栓来看，均是从螺栓头部截断。针对轮辋夹紧螺栓断裂问题，分别从材料和受力两个方面进行分析。通过螺栓材料分析，定位故障模式；通过螺栓受力分析，找出导致故障的原因。

1 轮辋结构原理

重型车辆载荷大，车轮系统一般采用对开式轮辋，轮辋与轮胎装配及轮辋总成如图1所示。轮辋总成由内轮辋和外轮辋组成，内轮辋宽度较大，外轮辋宽度较小，内外轮辋之间通过外圈的均布螺栓夹紧，轮辋总成通过内圈的螺栓孔安装在轮毂上。内外轮辋通过螺栓紧连接，即根据相关标准控制夹紧螺栓的拧紧力矩，以保证连接的可靠性。

2 螺栓材料分析

针对断裂的轮辋夹紧螺栓，抽取6件，从材料角度分别进行五项分析和测试：宏观观察、微观观察及能谱分析、金相观察及显微硬度测试、抗拉性能测试。根据各项分析和测试的结果，定位螺栓断裂失效模式［4-5］。

2.1 宏观观察

抽取的6件断裂螺栓宏观形貌如图2所示，目视可见螺栓形貌一致，均未见明显塑性变形，断裂位置一致，均位于螺帽的台阶根部（应为安装面）。断面附近区域未见明显机械损伤或腐蚀痕迹存在。

抽取的6件断裂螺栓断口形貌如图3所示。对6件螺栓断口进行观察，断口形貌一致，断面较平，磨损较为严重，呈暗灰色，具有金属光泽，未见明显材料缺陷或腐蚀痕迹存在，源区位于螺栓表面，扩展区可见多条止裂弧线分布，终断区呈剪切唇状。

图1 轮胎与轮辋装配及轮辋总成图

图2 断裂螺栓的宏观形貌

图3 断裂螺栓的断口形貌

通过抽取的6个断裂螺栓宏观形貌和断口形貌的观察，初步判断螺栓为疲劳破坏。

2.2 微观观察及能谱成分分析

将6件断裂的螺栓置于扫描电镜下进行断口观察及能谱成分分析，观察结果表明6件螺栓断口形貌一致：源区及扩展区均呈疲劳条带形貌，终断区呈韧窝形貌，表面镀层连续致密，典型形貌如图4所示。

图4 断裂螺栓的断口微观形貌

对螺 栓进行 能 谱成 分 分析，主 要 含有 Fe、 Cr（1.0% ～ 1.2%）、Mn（0.4% ～ 0.7%） 及 Si（0.3% ～ 0.4%）元素，为低合金钢；镀层主要含有 Zn元素，为镀锌层，能谱图如图5所示。

图5 断裂螺栓的断口能谱图

2.3 金相观察及显微硬度测试

在其中 3 件螺栓（1 ～ 3#）上截取试样制备金相，通过对试样进行观察，可见3件螺栓组织一致，均为回火索氏体组织，未见材料缺陷存在，如图6所示。

图6 金相组织形貌

对3件试样分别进行5次显微硬度测试，测试结果（HV0.3）见表 1。测试结果表明螺栓硬度均满足 10.9 级要求（HRC 32 ～ 39）。

表1 显微硬度测试结果（HV0.3）

2.4 金相观察及显微硬度测试

在螺栓上截取3件拉伸试样（A、B及C）进行拉伸性能测试，测试结果见表2。测试结果表明螺栓抗拉强度及延伸率均满足 10.9 级要求。

表2 抗拉强度及延伸率

2.5 材料分析结论

能谱分析结果表明螺栓所用材料一致，均为低合金钢，表面进行镀锌处理。金相观察结果表明基体组织为回火索氏体组织。拉伸强度性能及硬度测试结果表明材料硬度满足 10.9 级要求。

对6件断裂的螺栓进行宏观观察，螺栓形貌一致，未见明显塑性变形，断裂位置均位于螺帽的台阶根部（应为安装面）。螺栓断口均呈亮灰色，未见明显腐蚀痕迹及机械损伤痕迹存在，表明螺栓应是在近期的行驶过程中发生断裂。对螺栓断口进行微观观察，螺栓断面较平，源区位于螺栓表面，扩展区可见多条止裂弧线分布，呈疲劳条带形貌，终断区呈韧窝形貌。

以上观察和分析结果表明6件螺栓断裂模式一致，均为拉应力疲劳断裂。

3 螺栓受力分析

通过对断裂螺栓进行材料分析，定位螺栓故障模式为拉应力疲劳断裂，则螺栓是受循环拉应力，导致疲劳破坏［5-7］。因此，需要对轮胎和轮辋的装配体进行受力分析，计算螺栓所受的拉力。

3.1 螺栓受拉力分析

车辆在转弯行驶工况，轮胎受到地面的垂向力、侧向力和纵向力（驱动或制动）。由于对开式轮辋偏距的存在，垂向力会对轮辋产生绕x方向（车辆坐标系）的翻转力矩，翻转力矩与轮胎侧向力叠加，形成轮辋夹紧螺栓受拉力的综合作用效果。

因此，车辆在转弯工况，轮辋夹紧螺栓所受的拉力来自于三个方面，如图7所示。

（1）预紧力引起的螺栓拉力。

（2）车轮垂向载荷引起的螺栓拉力。

（3）轮胎与地面之间的侧向力引起的螺栓拉力。

图7 螺栓受力分析示意图

轮辋在装配时各个螺栓所打的预紧力矩相同，则由预紧力引起的螺栓拉力相同。由于轮辋偏距的存在，轮胎所受的垂向载荷相对轮辋中心的力矩也会引起螺栓的拉力。在转弯工况，轮胎与地面之间存在侧向力，侧向力相对轮辋中心的力矩引起螺栓拉力。轮辋夹紧螺栓所受压力应为预紧力引起的拉力、垂向力引起的拉力、侧向力引起的拉力三者之和，如图8所示。

由断裂螺栓材料分析可知，螺栓是受循环拉应力导致的疲劳破坏。对于预紧力导致的拉力 F0，在轮辋装配之后，螺栓预紧力为恒值，对于螺栓受力来说为静载。车辆在行驶过程中，路面不平度导致车轮垂向载荷为交变载荷，则由垂向力引起的轮辋夹紧螺栓拉力为循环交变载荷。车辆在直线行驶状态与转弯行驶状态之间交替变化时，地面对车轮的侧向作用力也为循环交变载荷。因此，轮辋夹紧螺栓所受循环拉力F包括垂向力引起的拉力和侧向力引起的拉力，如图9所示。

图8 螺栓所受拉力及合力示意图

图9 螺栓所受静载拉力和动载拉力示意图

3.2 螺栓循环拉应力计算

由 3.1 的分析可知，螺栓所受循环拉力包括垂向力引起的拉力和侧向力引起的拉力，针对车辆转弯极限行驶工况分别进行两部分拉力的计算，然后合成得到螺栓所受总的循环拉力。

针对车辆直线行驶工况、常规转弯工况和极限转弯工况下的螺栓所受的循环拉力进行计算，对三种工况进行定义。（1）直线行驶工况：车辆直线行驶，车轮受垂向力，由于路面不平度影响，车轮最大垂向载荷以 3 倍静载来计算。（2）常规转弯工况：车辆以 40 km/h 车速行驶，转向器输出转角30°，以此时外侧车轮所受的垂向力和侧向力计算轮辋夹紧螺栓所受的循环拉力。（3） 极限转弯工况：车辆转弯行驶时，整桥载荷转移至单个车轮，且轮胎与地面发生相对滑动。

由于轮胎偏距的存在，轮胎垂向载荷相对轮辋中心形成一个翻转力矩，如图6所示，导致轮胎螺栓产生拉力，垂向力引起的翻转力矩计算如式（1）所示。

式中：Mz为垂向力相对轮辋中心的力矩；Fz为车轮所受垂向力；δ为车轮偏距。

轮辋夹紧螺栓沿一定的圆周均布，在翻转力矩作用下，在垂向（车辆坐标系的z向）离轮心最远的螺栓受力最大，受力最大的螺栓所受拉力计算如式（2）所示。

式中：Fa-zmax为垂向力引起的螺栓所受最大拉力；Lmax为均布螺栓与轮心的最大距离；Li为均布螺栓与轮心的距离

表3 车辆及车轮参数

极限转弯工况和常规转弯工况下，车轮所受的垂向力和侧向力见表4。

表4 三种工况下的车轮所受垂向力和侧向力

由式（1）～（7）计算轮辋夹紧螺栓所受拉应力及轴向载荷作用下的疲劳强度许用应力，见表5。

表5 三种工况下的车轮所受循环拉应力和疲劳强度许用应力

由表5可知，在直线行驶工况和常规转弯工况下，螺栓所受循环拉应力都比疲劳强度许用应力要小。但在极限转弯工况下，螺栓所受的循环拉应力26.7 MPa 大于疲劳强度许用应力值 21.6 MPa，在此种应力作用下，螺栓容易发生拉应力疲劳破坏。在车辆实际跑车试验中，虽然发生极限转弯工况的概率很小，但当工况较恶劣时，螺栓在循环拉力作用下的疲劳安全系数也较小，容易发生疲劳断裂。

因此，由断裂螺栓材料分析和应力计算可知，轮辋夹紧螺栓的循环拉应力疲劳强度不足，在较恶劣的转弯工况下螺栓易发生疲劳断裂。

4 结论

针对轮辋夹紧螺栓断裂问题，分别进行了材料分析和应力计算。

通过对断裂的螺栓进行材料分析和测试，结果表明，断裂的螺栓满足 10.9 级抗拉强度和硬度要求，螺栓无明显塑性变形，为近期行驶过程中发生断裂，定位失效模式为拉应力作用下的疲劳断裂。

通过对螺栓进行受力分析，结果表明，螺栓所受循环拉力包括垂向力引起的拉力和侧向力引起的拉力，轮辋夹紧螺栓的循环拉应力疲劳强度不足，在较恶劣的转弯工况下螺栓易发生疲劳断裂。

参考文献（References）：

［1］丛韬，付秀琴，张斌 . 简析高速重载工况对车轮轮辋疲劳裂纹萌生的影响［J］. 铁道机车车辆，2014，34(5)：24-27. CONG Tao，FU Xiuqin，ZHANG Bin. Effect of Fatigue Crack Initiation in Whee1 Rims Under Condition of Heavy Hau1 and High Speed［J］. Rai1way Locomotive & Car，2014，34(5)：24-27.(in Chinese).

［2］徐飞军，黄文倩，陈立平 . 轮式拖拉机在典型工况下轮胎受力仿真分析［J］. 农业工程学报，2009，25(2)：61-65. XU Feijun，HUANG Wenqian，CHEN Liping. Simu1ation Ana1ysis of Tire Force of Whee1ed Tractor Under Typica1 Road Conditions［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricu1tura1 Engineering，2009，25(2)：61-65.(in Chinese)

［3］左曙光，程悦荪 . 路面不平度对车辆制动过程中轮胎动态性能影响的方针分析［J］. 农业工程学报，2000，16(4)：42-45. ZUO Shuguang，CHENG Yuesun. Simu1ation Ana1ysis of the Inf1uence of Road Surface Roughness on Tyre Dynamic Performance in Vehic1e Braking［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricu1tura1 Engineering，2000，16(4)：42-45.(in Chinese)

［4］贾坤宁，王海东，姜秋月 . 高强度桥梁钢焊接接头疲劳性能的研究［J］. 金属热处理，2009，34(4)：48-51. JIA Kunning，WANG Haidong，JIANG Qiuyue. Fatigue Performance of We1d Joint for High Strength Bridge Stee［1J］. Heat Treament of Meta1s，2009，34(4)：48-51.(in Chinese)

［5］王良模，陈玉发 . 铝合金车轮弯曲疲劳寿命的仿真分析与试验研究［J］. 南京理工大学学报 ( 自然科学版 )，2009，33(5)：571-575. WANG Liangmo，Chen Yufa. Simu1ation and Test on A1uminum A11oy Whee1 Rotary Fatigue Life［J］.Jouna1 of Nanjing University of Science and Techno1ogy，2009，33(5)：571-575.(in Chinese)

［6］曾德钦 . 某皮卡车后桥轮胎螺栓断裂问题分析及优化［J］.汽车实用技术，2015(10)：59-62. ZENG Deqin. The Pickup Truck Rear Ax1e Tire Bo1ts Fracture Prob1em Ana1ysis and Optimization［J］. Automobi1e Techno1ogy，2015(10)：59-62.(in Chinese)

［7］杨春雷，李芾 . 40 t轴重货车轮轨动力特性分析［J］. 铁道机车车辆，2010，30(3)：1-4. YANG Chun1ei，LI Fu. Whee1/Rai1 Dynamic Ana1ysis of 40 t Ax1e Load Freight Wagon［J］. Rai1way Locomotive & Car，2010，30(3)：1-4.(in Chinese)

［8］李阳 . A320 飞机主轮轮毂结合螺栓断裂故障分析和预防措施研究［D］. 西安：西北工业大学，2006. LI Yang. A320 Main Whee1 Attachment Bo1t Fracture Ana1ysis and Precautions［D］. Xi’an：Northwestern Po1ytechnica1 University，2006.(in Chinese)

［9］向莎 . 某轻型卡车后桥车轮螺栓松动问题分析及优化［J］.汽车实用技术，2014(7)：82-84. XIANG Sha. Bridge Whee1 Bo1ts Loose After a Prob1em Ana1ysis and Optimization of Light Trucks［J］. Automobi1e Techno1ogy，2014(7)：82-84.(in Chinese)

［10］何镭 . HXD1C 机车电机与抱轴箱连接螺栓断裂研究分析［D］. 长沙：湖南大学，2012. HE Lei. The Ana1ytics on the Fracture of The Bo1ts Connecting The Ax1e Box and Motor of the Locomotive HXD1C［D］. Changsha：Hunan University，2012.(in Chinese)

作者介绍

张军伟 (1986-)，男，山东菏泽人。博士，工程师，主要研究方向为多轴重型车辆互连式油气悬架系统特性、重型车辆悬架系统设计、多轴车辆系统动力学仿真以及动力总成振动优化。

Te1：15210510197

E-mai1：zjw36927@163.com

Analysis on Fracture of Rim Tightening Bolts for a Heavy Vehicle

ZHANG Junwei，WAN Fang，LI Hongbiao，ZHANG Sheng，YANG Bo，ZUO Xia，FU Youbing
（Beijing Institute of Space Launch Technology，Beijing 100076，China）

As to the fracture of rim tightening bolt for a heavy vehicle, the material performance analysis was conducted and it was found that the fracture was due to fatigue failure. The cyclic tension acting on the bolt was caused by the vertical and lateral forces exerted by the ground on the wheel. The bolt tension under three driving conditions was computed, and the analysis shows that the bolt is prone to fracture under the condition of turning at the maximum speed limits where the cyclic tensile stress is greater than the allowable stress.

heavy vehicle；rim tightening bolt；fracture；analysis

引用格式：

U463.345

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.07

2017-01-14 改稿日期：2017-02-14

张军伟，万芳，李洪彪，等 . 某重型车辆轮辋夹紧螺栓断裂问题分析［J］. 汽车工程学报，2017，7(3)：205-211.

ZHANG Junwei，WAN Fang，LI Hongbiao，et a1. Ana1ysis on Fracture of Rim Tightening Bo1t for a Heavy Vehic1e［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：205-211.(in Chinese)