工程車輛車輪螺栓預(yù)緊力衰減研究

王 欣 楊 敏 唐 鋒 楊 苓

1成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 成都 611731 2湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長(zhǎng)沙 410208

0 引言

螺栓連接廣泛應(yīng)用在機(jī)械中，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接可靠、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)。然而，螺栓松動(dòng)往往引起機(jī)械連接失效，導(dǎo)致機(jī)械故障，甚至發(fā)生重大事故，而螺栓預(yù)緊力衰減導(dǎo)致的螺栓松動(dòng)通常認(rèn)為是導(dǎo)致機(jī)械連接完整性破壞的重要原因?，F(xiàn)有研究多基于有限元分析，從微觀研究螺栓松動(dòng)機(jī)理或是借助振動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)真實(shí)的工況下的松動(dòng)情況研究較少。另外，相關(guān)研究對(duì)不同廠家、不同規(guī)格及不同防腐處理等螺栓進(jìn)行了研究，但對(duì)不同厚度及不同緊固方式研究較少。本文基于真實(shí)工況，通過理論計(jì)算與試驗(yàn)的方法對(duì)車輪螺栓在振動(dòng)沖擊下，不同類型螺母、不同緊固方式、不同螺母厚度及不同廠家對(duì)軸向力衰減影響進(jìn)行研究，為工程中螺栓緊固工藝提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 螺栓預(yù)緊力及緊固力矩理論計(jì)算

車輪螺栓受力情況如圖1所示，根據(jù)最大制動(dòng)扭矩計(jì)算單個(gè)車輪螺栓剪切力P為

圖1 螺栓受力示意圖

式中：T為地面對(duì)輪胎的最大扭矩，D為螺圓，即螺栓分布圓周直徑，n為螺栓個(gè)數(shù)。

理論最小預(yù)緊力Fmin為

式中：Sg為安全系數(shù)，μT為結(jié)合面最小摩擦系數(shù)。

最小緊固力矩Tmin為

式中：Kmax為最大扭矩系數(shù)，d為螺栓公稱直徑，p為螺距，μs為螺紋摩擦系數(shù)，d2為螺紋中徑，α'為螺紋牙測(cè)角，μw為支撐面摩擦系數(shù)，Dw為支撐面摩擦扭矩的等效直徑。

當(dāng)μs與μw取0.18時(shí)，K取最大值；當(dāng)μs與μw取0.1時(shí)，K取最小值。

最大緊固力矩Tmax為

式中：q為誤差率。

最大預(yù)緊力Fmax為

由上述公式可以得到螺栓的最大與最小擰緊力矩、最大與最小預(yù)緊力。

本文以某汽車起重機(jī)為例進(jìn)行研究，因汽車起重機(jī)屬于特種車，路上行駛時(shí)為滿載狀態(tài)，路面平整程度對(duì)車輪的振動(dòng)、急剎時(shí)的動(dòng)載荷對(duì)車輪螺栓的沖擊影響更大，更容易導(dǎo)致車輪螺栓的松動(dòng)。

其車輪螺栓為M22×1.5，10.9，D為335 mm，n為 10，Sg取 1.2，μT取 0.1，q取 0.1，α'取30°。在計(jì)算最大扭矩系數(shù)時(shí)，μs與μw均取0.18；在計(jì)算最小扭矩系數(shù)時(shí)，μs與μw均取0.1。由上述已知條件可計(jì)算出理論最小預(yù)緊力為136 kN，最小緊固力矩為700 N·m，最大緊固力矩為820 N·m，最大預(yù)緊力為215 kN。

2 螺栓預(yù)緊力試驗(yàn)

車輛車輪圓周方向布置10顆螺栓，規(guī)格為M22×1.5，10.9級(jí)，采用USM-3超聲波壓力儀測(cè)試車輛試驗(yàn)前后螺栓軸力大小，測(cè)量原理為當(dāng)超聲波通過金屬傳播時(shí)，其傳播速度v隨著作用于金屬的應(yīng)力σ增大而減小，兩者呈線性關(guān)系。結(jié)構(gòu)預(yù)緊后，螺栓將被拉長(zhǎng)，同時(shí)應(yīng)力增大，由于2種現(xiàn)象的疊加效應(yīng)，超聲波從螺栓的一端進(jìn)入，在另一端反射并返回所消耗的時(shí)間t也隨之增加。通過儀器測(cè)得時(shí)間t的變化量?t，從而逆向計(jì)算得到施加的預(yù)緊力。

試驗(yàn)采用間歇急剎車（最大制動(dòng)力）的方式進(jìn)行。試驗(yàn)路程為15 km，期間進(jìn)行了23次急剎車。每次急剎車速度從60 km/h降至20 km/h。為了準(zhǔn)確測(cè)量軸力，將螺栓兩端面平整光滑，如圖2所示。為便于記錄，對(duì)每顆螺栓進(jìn)行標(biāo)記。

圖2 螺桿頭端面圖

2.1 不同類型螺母對(duì)螺栓預(yù)緊力衰減的影響

按照上文所述計(jì)算得到的力矩值，各選擇20顆螺栓，分為4組，分別對(duì)普通螺母和施必牢螺母施加760 N·m（最大與最小緊固力矩的平均值）的力矩值進(jìn)行試驗(yàn)，并在試驗(yàn)前與試驗(yàn)后測(cè)量每個(gè)螺栓的預(yù)緊力，排除誤差較大的，每組最后有16顆螺栓有效。繪制圖3相同緊固力矩不同螺母試驗(yàn)前后預(yù)緊力情況與圖4試驗(yàn)后螺栓剩余預(yù)緊力百分比。圖中普通-前為普通螺母試驗(yàn)前的數(shù)據(jù)；普通-后為普通螺母試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)；施必牢-前為施必牢螺母試驗(yàn)前的數(shù)據(jù)；施必牢-后為施必牢螺母試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)。

圖3 相同緊固力矩不同螺母試驗(yàn)前后預(yù)緊力情況

圖4 試驗(yàn)后螺栓剩余預(yù)緊力百分比

由圖3可知，相同的緊固力矩下，普通螺母產(chǎn)生的預(yù)緊力小于施必牢螺母產(chǎn)生的預(yù)緊力，根據(jù)公式

式中：T固為緊固力矩，k為扭矩系數(shù)，F(xiàn)為預(yù)緊力，d為螺栓螺紋公稱直徑。

可知緊固力矩相同，普通螺母的扭矩系數(shù)大于施必牢螺母的扭矩系數(shù)。影響扭矩系數(shù)的因素有螺紋表面粗超度、螺紋表面處理潤(rùn)滑狀態(tài)等因素。圖4為試驗(yàn)后螺栓剩余預(yù)緊力百分比，從圖4可知，使用施必牢螺母在橫向載荷試驗(yàn)后剩余預(yù)緊力平均90%，且均大于136 kN，符合設(shè)計(jì)要求。而普通螺母在橫向載荷試驗(yàn)后剩余預(yù)緊力平均60%，預(yù)緊力大小均值為88 kN，不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 不同緊固方法對(duì)螺栓預(yù)緊力衰減的影響

試驗(yàn)分為2組，每組20顆螺栓，2組均采用普通螺母，一組采用力矩扳手緊固到規(guī)定力矩值，另一組使用輪胎擰緊機(jī)緊固到規(guī)定力矩值。通過2種方法緊固后，同樣獲得16顆螺栓預(yù)緊力數(shù)據(jù)，不同緊固方式試驗(yàn)前與試驗(yàn)后預(yù)緊力的變化趨勢(shì)如圖5、圖6所示。

圖5 2種緊固方式下預(yù)緊力

圖6 不同緊固方式試驗(yàn)后剩余預(yù)緊力百分比

由圖5、圖6可以看出，試驗(yàn)前使用擰緊機(jī)方式緊固的螺栓預(yù)緊力相對(duì)力矩扳手方式大了50%。綜合考量認(rèn)為是因?yàn)榱匕馐衷谑褂眠^程中間歇、突然加力，而擰緊機(jī)是均勻、連續(xù)擰緊等因素造成。使用擰緊機(jī)緊固的螺栓在試驗(yàn)后剩余預(yù)緊力百分比均值77.1%，平均值為160 kN；而使用力矩扳手方式試驗(yàn)后剩余預(yù)緊力百分比均值62.9%，平均值為88 kN。使用力矩扳手方式緊固的螺栓在試驗(yàn)后的預(yù)緊力不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 不同廠家、不同螺母厚度對(duì)螺栓預(yù)緊力衰減的影響

試驗(yàn)使用施必牢螺母，施加700 N·m的緊固力矩進(jìn)行。選用廠家甲26 mm厚度螺母、廠家甲30 mm厚度螺母、廠家乙26 mm厚度螺母及廠家乙30 mm厚度螺母4種規(guī)格施必牢螺母各10顆，具體布置見圖7，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明7顆螺母有效。

圖7 螺母布置圖

圖8、圖9為廠家甲2種規(guī)格螺母試驗(yàn)前后預(yù)緊力與預(yù)緊力剩余百分比曲線，可知30 mm螺母試驗(yàn)后的預(yù)緊力均值占比螺栓保證載荷的58.4%。而26 mm螺母占比均值為44.3%。M22×1.5，10.9級(jí)螺栓的保證載荷是276 kN，預(yù)緊力一般選擇為保證載荷的55%～65%，即151.8～179.4 kN，可見30 mm廠家甲螺母試驗(yàn)后剩余預(yù)緊力在螺栓保證載荷的合理范圍內(nèi)。

圖8 廠家甲2種規(guī)格螺母試驗(yàn)前后預(yù)緊力

圖9 廠家甲2種規(guī)格螺母試驗(yàn)前后預(yù)緊力剩余百分比

圖10、圖11為廠家乙2種規(guī)格螺母試驗(yàn)前后預(yù)緊力與預(yù)緊力剩余百分比曲線，可知30 mm螺母試驗(yàn)后的預(yù)緊力均值占比螺栓保證載荷的61.6%，而26 mm螺母占比均值為48%，可見30 mm螺母試驗(yàn)后剩余預(yù)緊力在螺栓保證載荷的合理范圍內(nèi)；

圖10 廠家乙2種規(guī)格螺母試驗(yàn)前后預(yù)緊力

圖11 廠家乙2種規(guī)格螺母試驗(yàn)前后預(yù)緊力剩余百分比

對(duì)比圖8和圖10，可看到26 mm厚度的廠家甲螺母和廠家乙螺母在相同緊固扭矩下產(chǎn)生的預(yù)緊力大致相同，但2廠家30 mm高的螺母在相同緊固扭矩下產(chǎn)生的預(yù)緊力相差較大，廠家乙螺母產(chǎn)生的預(yù)緊力超出廠家甲螺母20%左右。

扭矩為700 N·m，采用施必牢螺母可以滿足實(shí)際要求，在理論計(jì)算最小緊固力矩時(shí)可以增加一個(gè)修正因數(shù)a，a=0.92，以保障理論計(jì)算更接近于實(shí)際，為實(shí)際設(shè)計(jì)中提供參考。

標(biāo)準(zhǔn)摩擦系數(shù)試驗(yàn)機(jī)與實(shí)車測(cè)試的螺栓扭矩系數(shù)見表1。

表 1 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試與實(shí)車測(cè)試的螺栓扭矩系數(shù)對(duì)比

由表1可知，扭矩系數(shù)越大，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和實(shí)車測(cè)試扭矩系數(shù)差距越大，這與扭矩系數(shù)大時(shí)，螺母體和墊圈之間摩擦力矩大，螺母墊圈和輪輞產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)。實(shí)際測(cè)試扭矩系數(shù)≥0.20的施必牢螺母緊固后試驗(yàn)，螺栓預(yù)緊力基本無衰減，廠家乙30 mm高度車輪螺母由于實(shí)車測(cè)試扭矩系數(shù)k最小，導(dǎo)致預(yù)緊力衰減最大，為11.6%，但衰減后的預(yù)緊力滿足設(shè)計(jì)要求。扭矩系數(shù)均隨螺母高度的增加而減小。

3 總結(jié)

1）施必牢螺母相對(duì)普通螺母而言在螺栓受到重載沖擊后預(yù)緊力衰減小，可有效防止螺栓松動(dòng)。

2）在緊固方式上，擰緊機(jī)的連續(xù)均勻方式，相較力矩扳手可以產(chǎn)生符合設(shè)計(jì)要求的預(yù)緊力，且衰減較小。

3）理論計(jì)算的緊固力矩運(yùn)用到實(shí)際工作中需要進(jìn)行修正，本文所述工況為0.92。

4）施必牢螺母高度對(duì)預(yù)緊力的衰減有影響，30 mm高度螺母產(chǎn)生的預(yù)緊力及受橫向載荷沖擊后剩余預(yù)緊力更符合設(shè)計(jì)要求。螺母高度影響扭矩系數(shù)，隨著高度的增加扭矩系數(shù)減小。