「试验分析专栏」GM车轮螺栓试验设计及扭矩衰减原因分析

车轮系统是车辆中唯一和地面接触的汽车零部件，承受着车辆的自身重力、转向力、驱动力和制动力，而车轮紧固件是连接车轮系统和车辆的关键零件，最终都是通过该紧固件将车辆的这些力传递到地面来操纵车辆。

如果车轮紧固件在设计或工艺控制上不合理，车轮将会在用户使用过程中出现松动、抖动、甚至车轮松脱现象，导致发生重大安全事故。

因此，研究车辆紧固件的合理设计和工艺的有效控制非常关键和必要。目前对紧固件的研究与分析，主要侧重于对首次使用的紧固件进行分析。

然而，对于车轮紧固件来说，由于几乎所有售后维修保养都需要拆装该紧固件，所以，反复松紧后车轮紧固件的特性是否能满足正常行驶要求也需要关注和进行研究。

汽车车轮接头是由汽车车轮、制动盘、轴承法兰和车轮紧固件等零部件构成的紧固副。车轮紧固件通常采用车轮螺栓或者车轮螺母，而车轮通常为铝合金材质或钢制。

车轮接头的紧固效果对车轮接头的安全性有重要的影响，通过摩擦系数试验和接头试验等试验分析方式，分析车轮在摩擦系数、夹紧力、扭矩保持能力等。

夹紧力衰减原因分析

导致夹紧力衰减的因素有很多，主要从首次紧固和反复装卸两方面进行其衰减原因分析。

1.首次紧固的夹紧力衰减原因

安装面精度较低时，会导致被连接件的安装精度低。在装配过程中，拧紧螺栓的扭矩在提供紧固轴向力的同时，还会损失一部分扭矩用以矫正其端面不平度，而且在车辆使用过程中，安装面的外力使不平的端面磨损，导致塑性变形、轴向扭矩的释放，从而导致轴向夹紧力的减少。

摩擦因数是紧固件的重要参数，直接影响预紧扭矩的保持性能和螺栓轴向预紧力的大小。在规定的紧固扭矩下，螺纹摩擦因数和螺母端面摩擦因数的增加会导致夹紧力的减少。因此，如果摩擦因数选择不当或控制不稳定，就会导致夹紧力的减少。

如果被连接件选材不当，导致塑性变形，则会出现扭矩的释放，从而在外力作用下会加速扭矩衰减程度，导致夹紧力的减少。

2.反复装卸后导致的接触面变化

反复松紧紧固件后，螺母表面和螺母座端面的粗糙度差，导致摩擦因数变大。摩擦因数变大后，在同样的紧固扭矩下夹紧力会降低。

重复拧紧车轮螺栓夹紧力试验方法：

一般采用螺母上套装扭矩传感器和在螺栓上安装拉力传感器测量扭矩与拉力的关系，以分析确认扭矩和夹紧力是否满足设计或使用要求。为了考核反复松紧后紧固件的夹紧力，所以需要测量反复松紧后紧固件夹紧力的衰减程度。

基于此需求，研究介绍了一种能便捷地考核反复松紧后车轮紧固件夹紧力的试验方法。该试验在针对车轮紧固件的专用设备上进行，可测量其扭矩和夹紧力随松紧次数变化的关系曲线。

试验设备如图所示，该设备包括测量执行机构和数据采集系统两部分，测量执行机构包括可以松紧螺母的扭转电机和可以安装车轮及其紧固件的夹持机构；数据采集系统包括安装在扭转电机下的扭矩及角度传感器和安装在车轮下面套住螺栓并能采集螺栓拉力值的拉力装置。

该设备是通用汽车使用的设备，目前在国内据了解仅有三台设备，这个设备是GM汽车车轮螺母标准中需要进行TTN和TTR测试所用到的设备。

车轮螺母的模拟测试分为两种：

新螺母的首次拧紧测试，也称TTN（Torque Tension Test-New），该测试的主要目的是验证新螺母首次装配时轴力与力矩的关系是否满足设计要求。

新螺母的重复拧紧测试，也称TTR（Torque Tension Test-Reuse），该测试的主要目的是验证新螺母经过重复使用后，轴力与力矩的关系是否仍然满足设计要求。

当然，很多公司为了满足车轮螺栓的测试，通过自主设计开发了专用的测试设备，并申请了专利。这样能够大大降低这种专用设备的采购成本，并且能够积累相关的技术。

试验前，将车轮、螺栓及螺母按照要求安装在夹持机构上，然后启动扭转电机，按照5 圈/min的转速拧紧螺母到扭矩为140 N·m时停止，数采系统记录螺栓拉力值，即被连接件之间的夹紧力。

暂停10 s后松脱螺母到初始角度，重复上述步骤24次，获得25次松紧所对应的夹紧力数据，以模拟车主在最苛刻的条件下反复松紧后，车轮与制动盘之间夹紧力随松紧次数的关系曲线。

试验后，获取每次车轮与制动盘的夹紧力，并绘制和松紧次数的关系曲线。一般设计要求末次的夹紧力需要大于18 kN（设计要求第一次拧紧最小的夹紧力为30kN，也就是说最终的预紧力要大于60%的初次预紧力），以满足车辆极端行驶下所需要的夹紧力。

此试验为多零件组合成的系统试验，考核多个零件的整体性能，主要包括车轮螺母座的性能、螺母性能和螺栓性能。三者中任何一项性能不满足要求，都会导致整体性能的逐渐变差，即该曲线后端满足不了要求。

以上就是螺丝君对车轮螺栓扭矩衰减的因素和预紧力测试方案进行的分析，大家对车轮螺栓开发和验证中还会提出哪些要求，欢迎联系螺丝君分享交流。

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来源：GAF螺丝君