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[其他] 轮毂螺母转矩衰减问题探讨

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发表于 2015-7-30 07:11:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
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轮毂螺母转矩衰减问题探讨

轮毂螺母转矩衰减问题探讨

        图1  螺纹联接模型

        螺栓螺母转矩的核定和检验是总装最重要的工作之一,而螺母转矩衰减现象又是常见的质量问题。本文以帝豪轮毂螺母转矩衰减问题为例,讨论了预紧力的控制方法,研究了转矩与预紧力两者的关系以及影响因素,找出了控制重点。
        帝豪轿车上,由5颗M12的螺母将车轮与制动器装配到一起。今年上半年,公司质量部根据GES反馈,帝豪车型轮毂螺母转矩存在不合格现象,质管科和FE-SQM共同对帝豪车型轮毂螺母转矩进行了检查,经抽检发现存在帝豪轮毂螺母转矩衰减问题。检查5台车转矩,发现跑完路试后转矩严重衰减,平均衰减为8%,存在较大的质量安全风险,我们必须对该现象高度重视。
        预紧力的控制方法
        在螺纹联接的拧紧过程中,通过拧紧螺栓或螺母,使螺栓受拉,被联接件受压。螺栓相当于拉伸弹簧,被联接件相当于压缩弹簧。螺栓轴向所受的拉力F等于被联接件所受的压力,正是这个力将被联接件紧紧地联接在一起(见图1)。
        在螺纹联接过程中,我们通常称这个力为预紧力或夹紧力F。预紧力大小的控制情况,决定了装配效果的好坏(预紧力的大小由联接形式、受载情况等因素确定);而且在螺栓组的联接中,每个螺栓预紧力的一致性将直接影响接合面上接触压力分布的均匀性,进而影响联接的可靠性和强度。
        控制预紧力的方法很多,常见的有:
        1.螺栓伸长法
        通过测量螺栓的伸长来控制预紧力,其应用范围是预紧力引起的螺栓伸长必须在弹性范围内。
        2.螺母转角法
        类似于螺栓伸长法,是用通过螺母转角计算的方法取代直接测量螺栓伸长量。
        3.转矩法
        实验表明,预紧力和转矩呈线性关系,通过控制拧紧转矩可实现预紧力的控制。转矩法简单、易于实施,是普遍采用的方法。帝豪轿车车轮的装配正是用转矩法来控制的。
       

轮毂螺母转矩衰减问题探讨

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        图2  轴力-应变图

        转矩与预紧力的关系、转矩的影响因素及确定方法
        用转矩法来控制预紧力,首先得了解两者的关系。根据GB/T 16823-1997得出轴力-应变图(见图2)、紧固转矩和预紧力的关系图(见图3)。从图中可看出:转矩法符合的条件在弹性区内,为充分发挥螺栓的性能,一般取到0.7~0.8屈服点,当施加在螺母和螺栓上的动态力矩取消后,存在回弹;90%的拧紧转矩消耗于螺母或螺栓头与支撑面之间的摩擦及螺纹副之间的摩擦,初始预紧力的离散度随拧紧时的摩擦损耗等因数而变化,故离散度也较大。
       

轮毂螺母转矩衰减问题探讨

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        图3  紧固转矩和预紧力关系

        在弹性区内,紧固转矩和预紧力的关系式为:
        Tf=Ts+Tw=KFfd (1)
        式中Tf——紧固转矩;
        Ts——螺纹转矩;
        Tw——支撑面转矩;
        K——紧固系数;
        Ff——预紧力;
        d——螺纹直径。
        经推导,式(1)可表示为:
       

轮毂螺母转矩衰减问题探讨

轮毂螺母转矩衰减问题探讨

        式中 ψ——螺纹升角;
        ρ' ——螺纹副当量摩擦角,ρ' =arc tan(1.15μ),μ为螺纹副的摩擦系数;
        d2——螺纹中径,单位为mm;
        μ0——支撑面的摩擦系数;
        D0——螺母支撑面的外径,单位为mm;
        d0——被联接件或垫圈的孔径,单位为mm,d0≈d+(1~1.5)。
        根据式(2)我们可在已知设计预紧力Ff的情况下来确定转矩Tf,并可以得出转矩的影响因素。螺纹升角(决定于螺纹直径和螺距)、螺纹副及支撑面的摩擦系数、支撑面外径及联接件孔径等都是影响转矩的因素。初始预紧力的离散度随拧紧时这些摩擦损耗等因数而变化,故离散度也较大。并且,在设计初期,我们根据预紧力确定了紧固转矩后,在生产过程中必须保证这些参数的一致性。
        影响轮毂螺母离散度的因素
        1.产品的结构
        从图4可以看出,支撑面为锥面,位置度要求极高, 与支撑面为平面的其他车型的轮辋、轮胎螺母结构相比,帝豪车型轮毂总成几乎难以保证螺母与轮辋之间配合面的一致性,易造成螺母与轮辋之间只有小部分面积接触,易导致紧固转矩的衰减。
       

轮毂螺母转矩衰减问题探讨

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        图4  轮辋(左)和轮胎螺母(右)的配合面

        2.产品的材料及表面状态
        帝豪轮辋的材料为铝合金,镀镉,无润滑联接时的摩擦因数为0.17~0.29;轮胎螺母材料为40Cr,镀铬;轮胎螺栓材料为SCM435(日本材料),机械性能相当于35CrMo。由QC/T 518 2007可看出,支撑面的摩擦因数对转矩及预紧力有影响。
        连接可以分为硬连接和软连接。一般到达贴合点后,旋转30以内达到目标转矩的为硬连接;到达贴合点后,旋转2圈(720)以上达到目标转矩的为软连接。软连接的转矩是会随着时间而衰减的。在车轮的装配过程中,有钢轮和铝轮之分。钢轮的装配无疑属于硬连接,而铝轮的装配是趋于硬连接和软连接之间。
        3.其他因素
        螺母与轮辋之间配合尺寸链的设计、加工精度,与螺母配合面(锥形孔)上的涂镀层状态,制动器在工位器具存放情况(若存在叠放的现象,易损伤螺栓螺纹,增大螺纹副之间的摩擦,减小相同转矩下的预紧力)等都会对初始预紧力的离散度产生影响。值得一提的是:检测轮毂螺母转矩是在路试后,式(1)并未考虑路试轮毂螺母的受力情况。事实上,在跑完路试后,轮毂螺母转矩衰减比较明显,路试距离越长,转矩衰减越明显,尤其是前轮特别是左前轮转矩衰减越明显,这与轮毂螺母和螺栓的受力情况有关。按《MR7181型系列乘用车企业标准》
        (Q/MRJ 510-2010)的质量参数,前轴承重754~881.5kg,后轴承重526~788.5kg,且前轮是驱动轮。
        减小毂螺母衰减的措施
        车轮轮毂螺母是安全件,属于高预紧力的配合,按照QC/T 518 1999对φ12mm、螺距1.5mm和机械性能10.9级的螺栓紧固转矩规定:标准值为142.Nm,最大值为158.Nm,最小值为106.Nm。
        保持检验转矩100~140.Nm不变,考虑到车辆行驶过程中的疲劳应力及螺栓的屈服强度(35CrMo≥835MPa),将紧固转矩由110±10.Nm调整为120±10.Nm。
        为消除车轮螺母与轮毂接触面积和摩擦因数不一致、不均匀等情况,通过反复调整拧紧步骤和增加反转再拧紧、保持转矩等手段来消除铝轮的永久变形和摩擦因数不均匀的影响。考虑到整车四轮受力情况、设备程序的可行度和生产节奏等因素,故将帝豪铝轮拧紧程序调整为:0.5.Nm→20.Nm→80.Nm→110.Nm→反转30→120.Nm→保持120.Nm。经批量试装10天(超过2000辆),效果不错。
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