某轻型卡车车轮螺栓滑牙分析及改进

宋心雷，吴兆亮

（安徽江淮汽车集团股份有限公司 轻型商用车研究院，安徽 合肥 230601）

前言

车轮螺栓是整车安全的重要零部件，在行驶中出现螺栓断裂等问题，则可能出现车轮飞出的严重交通事故。由于可能引起螺栓断裂的因素较多，在问题出现时，往往很难找到导致问题的确切原因。其中螺纹滑牙会导致锁紧力矩变小，可能导致螺栓断裂。

1 问题现象

某轻型卡车在装配车轮时，出现车轮螺栓内螺纹滑牙现象。其车轮螺栓为M20×1.5螺纹，10.9级，表面三价环保彩锌；车轮螺母为M20×1.5螺纹，10级，表面三价环保彩锌。

2 问题调查

螺栓滑牙的因素有很多，故障树分析如图1。

图1 故障树分析

根据故障树分析，序号（1）、（2）、（3）、（4）4项因素，可以直接通过校核计算或测试获得，因此从以上四个因素着手分析，确认问题方向后，再查找具体末端因素。

2.1 设计强度校核

车轮螺栓连接状态的受力分析如图2。

图2 轮毂安装结构及受力示意图

1）拧紧外螺母的轴向力计算。

拧紧螺母后，轴向力公式如下[1]：

其中：

T——拧紧力矩，590 N·m～680 N·m（设计拧紧力矩范围）；

d2——螺栓中径，21.026 mm；

L——螺距，1.5 mm；

Μ——螺栓摩擦系数，0.12～0.4（一般镀锌表面）；

Dm——螺母安装面等效摩擦半径，33.6 mm；

f1——螺母安装面摩擦系数，0.12～0.4（一般镀锌表面）。

将相关设计参数代入公式（1）中，得出轴向力如表1。

表1 不同摩擦系数、拧紧力矩下轴向力 单位：N

2）螺母保证载荷的标准要求。

M20×1.5的10级螺母保证载荷要求为：螺母与标准螺栓试棒配合，在293.8 kN的拉力载荷下，保持15 s，能够自由拆下螺母。

根据设计计算轴向力与螺母保证载荷要求比较，设计轴向力符合要求。

2.2 螺纹保证载荷测试

1）螺母保证载荷标准测试结果。

对螺母保证载荷按要求进行抽检，全部符合293.8 kN的要求。

2）螺母与配套螺栓配合测试结果。

为排除因配对螺栓的螺纹强度不足导致螺纹滑牙，分批次用螺母与配套使用的螺栓配合进行拉力测试，破坏均发生在螺纹处，测试拉力均高于280 kN，同样远高于计算的轴向力。

图3 螺栓、螺母配套拉力测试结果

通过螺纹保证载荷测试，说明螺栓、螺母的保证载荷符合要求。

2.3 拧紧力矩测试

对轮胎螺母拧紧机输出扭矩实施测量系统分析，确认轮胎螺母拧紧机是否会因设备不稳定，输出偏大的扭矩，导致轮胎螺栓出现滑牙的现象[2]。

经过连续测试分析，如图4所示，拧紧力矩没有超出设定的590 N·m～680 N·m要求。

图4 拧紧力矩检查情况

2.4 摩擦系数测试

因螺栓摩擦系数受表面处理及污损等情况影响[3]，因此，做正常表面镀锌处理和镀锌后表面涂润滑油两组对比测试。

（1）正常镀锌产品抽样检测。

对正常产品测试其摩擦系数，结果如表2、图5，摩擦系数0.263～0.394，摩擦系数较大。

图5 正常紧固件扭矩－夹紧力曲线

表2 正常螺栓、螺母摩擦系数

（2）模拟螺纹表面有润滑油污损状态检测。

对螺栓、螺母的生产、运输、装配前等所有环节进行检查，发现螺母在其垫片压装时，由于压力机存在渗漏情况，螺母可能会被油污染。对螺母成品件用吸油纸进行一一检查，发现有极少数螺母上存在油污。由此可以确定，螺母表面被油污染是真实存在的。

将这些被润滑油污染的螺母进行摩擦系数测试，结果如表3、图6，摩擦系数0.093～0.113，相比正常产品，摩擦系数小很多。

表3 螺栓、螺母表面涂润滑油摩擦系数

图6 螺栓、螺母表面涂润滑油扭矩-夹紧力曲线

按摩擦系数0.093计算，轴向力可达到266.4 kN，已十分接近于280 kN，考虑到摩擦系数的波动，拧紧力矩的波动等，很容易就会发生滑牙故障。

2.5 小结

根据以上分析，螺母油污染导致摩擦系数显著减小，从而导致轴向力过大，致使螺纹滑牙。

3 验证

按上述问题调查情况，对螺栓、螺母的生产、运输过程中的所有可能污染的环节进行检查，特别对于已发现的螺母压装设备渗漏润滑油故障进行消除，重新批量送样，在生产线进行验证。连续验证1周时间，未再发生螺栓、螺母滑牙故障。

4 结论

（1）螺纹发生故障的可能因素较多，分析问题时，需要从各个方面逐步分析，进而找到根本原因。

（2）本文所分析的车轮螺栓滑牙问题，是由于螺纹上存在油污，减小了螺栓摩擦系数导致。

（3）除了油污影响螺栓摩擦系数外，还应该关注镀锌表面的摩擦系数波动较大，对于影响安全的重要紧固件，必须要把螺栓摩擦系数进行控制，使其稳定，常见的做法是在镀锌表面增加摩擦稳定剂。