车轮螺栓受力分析

车轮螺栓、螺母受力分析汽车行驶时，汽车车轮承受汽车的重力、行驶中的滚动阻力，以及转弯时或在倾斜路面上产生的侧向力，汽车制动时还受到路面的制动力，随着车轮转动，路面对车轮产生的冲击力。相应地车轮螺栓、螺母也承受这些力，这些力构成车轮螺栓、螺母的交变循环应力。一、车轮螺栓、螺母受力分析简图1、车轮螺栓受力分析图下图为汽车车轮螺栓的受力情况。图中：G—后轴负荷（重力）通过轮毂作用于车轮螺栓上的力；N—地面反力通过轮辋作用于车轮螺栓上的力；FM1—杯形螺母拧紧时产生的对车轮螺栓的拉力（预紧力）；FX—转向或侧倾时产生的侧向横力；FM—紧固螺母对FM1的反作用力；FM2—紧固螺母对FX的反作用力；FW—汽车牵引力作用于车轮螺栓上的力；FS—汽车行驶阻力；FZ—汽车制动时产生的制动力；FG—轮毂对FZ的作用反力。其中，G=N，FX=FM2，FM1=FM，FW=FS，FZ=FG2、车轮螺母受力分析简图下图为汽车车轮杯形螺母的受力情况。车轮球面螺母受力情况较为简单，略。图中：G—后轴负荷（重力）通过轮轮螺栓作用于车轮螺母上的力；N—地面反力通过轮辋作用于车轮螺母上的力；FM1—轮辋对车轮螺母的推力（预紧力）；FX—转向或侧倾时产生的侧向力；FM—紧固螺母对FM1的反作用力；FM2—车轮螺栓对FX的反作用力；FW—汽车牵引力作用于车轮螺母上的力；FS—汽车行驶阻力；FZ—汽车制动时产生的制动力；FG—通过轮毂传到螺母对FZ的作用反力。其中，G=N，FX=FM2，FM1=FM，FW=FS，FZ=FG二、车轮螺栓、螺母受力情况分析（一）平行于车轮平面受力情况由于车轮螺母拧紧时，产生的预紧力作用在内、外轮辋及轮毂上，从而在轮辋与轮毂贴合面上产生巨大的摩擦力。而车轮受到的各种平行于车轮平面的力，如重力、阻力、路面冲击力以及制动力等，不全部是由车轮螺栓、螺母承受，它还要克服轮辋与轮毂之间摩擦力。也就是说，轮毂、半轴及桥壳也承受分担了上述各种力。1、车轮螺母拧紧预紧力计算：已知：M=515±30N.m，D=37mm，d=33mm，p=1.5，d2=19.025mm，2dpatg=1.43763，螺纹副摩擦因数ξ取0.35（无润滑油取0.3至0.4），ρ=atgξ=19.29(ξ取0.3时，ρ=16.699)。单个车轮螺母拧紧预紧力为：222332022dDddDtgdMP=44848N（最小42235N）式中：M—车轮螺母拧紧力矩—车轮螺栓螺纹螺旋角ρ—螺纹摩擦角D—螺母球面接触大径d—螺母球面接触小径d2—螺纹中径μ—摩擦因数，钢对钢取μ=0.15N900车每侧车轮螺栓数为6个，因此，每侧车轮螺母总的预紧力为：P=6×P0=369088N2、轮辋与轮毂之间的摩擦力计算：轮辋与轮毂之间的最大静摩擦力为：F=μ·P=55363.2N3、后轮最大垂直负载（冲击力）计算：N=1/2g·k·G2=0.5×9.8×2.5×2500=30625N式中，g为重力加速度，k为过载系数（货车取2.5），G2为后轴满载轴荷。4、最大制动力计算：FZ=1/2g·ψ·G2=0.5×9.8×0.8×2500=4900N式中，ψ为路面附着系数，一般取ψ=0.8。5、制动时重力与制动力的合力：F=220ZFN13194N比较上面计算结果可以看出，路面最大冲击力最大。而轮辋与轮毂之间的摩擦力要比它大得多。一般货车正常行驶时，路面冲击力还要小些。6、车轮螺栓所受的剪切力计算：A、螺栓联结件的许用剪切应力（参见GB3098.1-82）:xSS=720/5=144Mpa式中：S为屈服极限，9.8级螺栓取720Mpa；xS为螺栓联接的安全系数，对于合金钢，一般取3.5—5B、螺栓所受的剪切应力计算：车轮螺栓规格6-M20×1.5，机械性能等级9.8，螺栓受剪切处最小直径d0=19S=π×d02/4=283.5mm2单个车轮螺栓所受的剪切应力:τ=N/6S=30625/6/283.5=18N/mm2＜=144（二）垂直于车轮平面受力情况当汽车转向时，由于离心作用车辆发生侧倾，外铡车轮将受到一个路面反作用力—向心力。当汽车行驶在倾斜路面上时，车辆也会侧倾，重力将产生一个与路顺平行的分力。此两个力都是车轮螺栓承受的侧向力。下图为车辆侧倾时车轮螺栓受力情况。以左侧车轮为例：当车辆右倾时，轮毂上部受挤，上方车轮螺栓受拉力小，下方车轮螺栓受拉力最大；当车辆左倾时，轮毂下部受挤，上方车轮螺栓受拉力最大，下方车轮螺栓受拉力小。车轮螺栓所受拉力计算：下面计算当车辆右倾极限情况下，左侧车轮螺栓所受的拉力。当车辆在30°横向斜坡路面上时，车轮螺栓所受的侧向力Fy=0.5G2。假设最下方螺栓所受的拉力为侧向力的一半：yXFF2112250N车轮螺栓拉应力计算：已知，9.8级螺栓屈服强度为σs=720MPaF=FX+FM1=44848+12250=57098Nσ=F/S=57098/283.5=201.4MPa螺栓拧紧时还受到扭矩所产生的扭剪应力：30223016ddDdDPMWT=120MPa根据材料力学第四强度理论（最大变形能理论），车轮螺栓最大应力为：223ca=289.4MPa＜σs=720Mpa安全系数S=720/289.4=2.49三、结论从以上分析可知，满载情况下，车轮螺栓强度没有问题。如果装配车轮螺母时，杯形螺母未拧紧，预紧力不够，从而造成轮辋与轮毂摩擦力过小，甚至造成内轮辋未与轮毂贴合。此时，上述各力均由车轮螺栓、螺母承受。