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车轮螺母拧紧扭矩设计和校核

 伊伊爸 2022-07-13 发布于湖北

轮胎、轮辋与轮辐统称为车轮,车轮不仅对汽车的行驶性能有重要影响,而且对行驶安全性有最直接的影响。

在日常的汽车使用中,会听到说某个汽车的轮子都飞出去了的事故,来描述汽车质量的低下或者车辆安全事故的严重性。

轮辐是轮辋与轮毂的连接件,辐板式轮辐通过它的可定心的紧固孔与轮毂连接。

轿车和小型货车通常以60°锥角的螺母座定心,在螺母上施加扭矩,将轮辐和轮毂连接在一起。

今天,螺丝君从整车数据出发,以后车轮为例,说明车轮螺母的拧紧力矩的开发和计算。 

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01


计算需要的相关参数



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02


计算外部工作负载



在计算车轮安装扭矩时,需要考虑下面三个工作作用力,其中冲击力FS和制动力FX是车轮和制动盘分界面的动态横向力FQ,车轮转向时的侧向力是螺栓所受的轴向力FA

冲击力FS和制动力FX有设计工况和极限工况。

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a.车轮抱死的极限地面制动力

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为了求得螺栓抵抗车轮抱死的制动力必须提供的摩擦负载FX1,以车轮中心为旋转点的扭矩等式如下:

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得到

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b.不发生车轮抱死的制动力矩是由FU= zMg决定的,当z≤0.5,覆盖了车辆99.98%的制动减速度。

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为了求得螺栓抵抗车轮抱死的制动力必须提供的摩擦负载FX2,以车轮中心为旋转点的扭矩等式如下:

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得到

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c.后轮最大垂直负载-车轮冲击力

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k=2.5是汽车过载系数。

d.车轮和制动盘分界面的动态横向力

1).极限工况:

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2).设计工况:

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e.当车轮以最大转向加速度a=1.2g转向时,车轮受到的最大侧向力

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f.车辆的侧向加速度在绝大多数的使用工况都小于0.3g,以a=0.5g计算车轮受到的设计侧向力

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03


单个螺栓所受的横向载荷和轴向载荷



a.极限工况下单个螺栓所受的横荷:

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设计工况下单个螺栓所受的横向荷:

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b.假设最下方螺栓所受的拉力为侧向力的一半,单个螺栓所受极限工况的轴向载荷:

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设计工况的轴向载荷:

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04


设计工况下单个螺栓传递横向载荷所需要的螺栓轴向力



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05


螺栓的装配欲载荷



VDI2230中,螺栓的最小装配预载荷公式是

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这个公式是VDI2230中给出的理论公式,实践中,因为是在常温的工作环境我们没有计算ΔFVth,计算ΦFz涉及到求被连接件的刚度,计算复杂,而且这两个值比较小,并且一正一负可以互相抵消一部分,对计算结果影响有限。

我们使用计算螺栓最小夹紧力 :

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06


螺母的拧紧扭矩



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a.螺母的锥面摩擦扭矩

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b.螺母内螺纹处的扭矩

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c.螺母的拧紧扭矩

螺母最小扭矩:

Mmin=Mk+Mb=86+76=162Nm

考虑车轮和轮毂接触面的由于压陷和松弛而造成的预载损失FZ,螺栓和螺母的摩擦系数的范围是0.12~0.18,M14×15配对螺栓的利用率,将安装扭矩定为M=180±10Nm



07


极限工况下对螺栓的校核



a.在小概率的车轮抱死和车轮冲击力最大的极限工况下,单个螺栓所受的横向在荷FKmax=11.578KN,当M=170Nm,μ =0.18,螺栓轴力FV=49KN时,单个螺栓提供的摩擦力FK=0.15×48=7.2KN是不能抵抗横向在荷FKmax的。

这时就产生了过载,外载荷克服了接合面上的静态摩擦,可能会导致螺栓受到剪切力。

需要校核螺栓的剪切应力。

接合面上的螺栓截面积

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螺栓的剪切应力远远小于螺栓的剪切强度

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所以极限状况发生时,螺栓不会被剪断。

b.对于车轮以最大转向加速度a=1.2g转向时带来的最大螺栓轴向力
FAmax=6.563KN,要考虑当M=190Nm,
μ =0.12,螺栓轴力FV=79.4KN时,螺栓的拉应力要小于抗拉强度。

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这种极限工况下螺栓不会屈服。

c.对车轮抱死,车轮冲击力达到最大,车辆以最大加速度a=1.2g转向这种最恶劣工况校核,螺栓的当量应力

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最恶劣的极限工况下螺栓不会屈服。

对于车轮螺栓螺母的拧紧力矩,合理取得设计工况是最关键的一个步骤,否则会造成螺栓螺母的规格过大,或者太小的规格造成断裂风险。

对于极小概率的工况,有滑移但不剪断螺栓是允许的,但不允许滑移频繁产生。

虽然极限工况是小概率事件,发生的几率极低,但螺栓不断裂保证车辆安全是必要的。

今天的话题,就分享到这里,您有任何疑问或建议,或需要源文件,或需要进群交流的老铁,可联系下方螺丝君:

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01

初步议题

01 风电高强度紧固件维护方案

风电高强度紧固件的服役期长达20-30年,合理的维护是其寿命的有效保障。不同的维护方案,其效率、成本、效果也会有所不同。风电高强度紧固件种类多、紧固装配维护方案也多,在单机组功率增大、风电单价下滑、大举进军海上风电市场的今天,我们如何选择技术可靠、经济合理的风电紧固件维护方案呢?
 
02 风电高强度螺栓载荷计算方法及实例

如何提取并筛选不同位置的风电高强度紧固件螺栓的极限载荷和疲劳载荷;如何进行有限元仿真软件选择和工程算法的选择;如何处理有限元仿真计算过程中常见的意外情况;如何验证计算结果和实际情况的符合性?本次通过分享风电高强度螺栓载荷计算方面的案例,与各位同行进行分享和交流。
 
03 风电高强度紧固件防松方法及措施探讨

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Workshop:风电高强度螺栓轻量化设计及整机轻量化设计中的重要性

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05 风电高强度螺栓常见失效形式及其对应策略

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06 风电高强度螺栓防腐设计及应用

金属腐蚀是一门复杂同时现象非常普遍的学科,防腐机制、腐蚀形态不同,其表现形态和危害性也不同。腐蚀达到一定程度,会显著降低高强度螺栓的力学性能,缩短使用寿命,影响联结的可靠性和安全性。目前风电高强度螺栓的防腐涂层有锌铬涂层、锌铝涂层、热浸锌、镍锌渗层等多种方式,在什么样的服役环境下适宜采用何种涂层方式?本次交流为向您娓娓道来。
 
07 风电高强度螺栓装配工具和装配工艺

高强度螺栓的寿命和联结可靠离不开科学的拧紧工具和拧紧工艺,从整机设计、紧固件结构形式设计、预紧力大小等多个角度,分析装配工具和装配工艺该如何选型,同时提出装配过程质量控制方法。通过列举现实案例,解析装配工具、装配工艺及装配过程质量控制方法,推动风电高强度螺纹紧固连接设计、工艺的正向发展。
 
08 大规格风电高强度紧固件的理化检测探讨

随着风电高强度紧固件的规格越来越大,其规格范围也一再突破现有的标准规定,如何选择抽样比例?如何选择检测标准?如何选择取样标准?成为很多主机厂、生产厂家和第三方机构关心的事情。

02

演讲单位


  • 武汉大学

  • 金风科技

  • 通用电气

  • 中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部

  • 马头动力工具

  • ...



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材料软件设备智造展

高端紧固连接成品展

智能装配与自动化展

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