重型卡車車輪螺母選型分析

文章通過對標分析, 結合相關標準文件及計算對重型卡車車輪螺母選型進行了分析, 主要從車輪螺母失效形式、車輪螺母結構、車輪螺母裝配工藝燈方面進行了解析, 從而有效改善了車輪螺母售後失效率高的現象, 將售後失效率由1%降低到0.1%以下。

1、車輪螺母故障模式及失效分析

車輪螺母在售後市場表現出的故障模式主要為與其配合的螺栓出現斷裂、滑扣現象, 最終導致輪胎脫落等重大質量問題, 模式圖片如下:

圖1 圖2 圖3

2014年7月到2015年6月, 車輪螺栓故障情況如下:售後故障數共計4298起, 螺栓索賠金額達107.5萬元, 車輪螺母索賠金額約達9萬元。

羅太螺栓花絲斷裂後, 加速了制動鼓龜裂、摩擦片異常磨損、輪輞斷裂、輪邊減速器故障的發生。

1.1 車輪螺栓為什麼會滑絲、斷裂?

經對2014年7月到2015年6月失效模式分析, 其中螺紋牙型產生明顯的軸向拉伸變形的故障現象約佔60%, 斷裂故障模式約佔40%, 其中杆部斷裂面為明顯帶疲勞裂紋的故障約佔25%, 螺紋部斷裂面明顯帶疲勞裂紋的約佔75%。

將螺栓按VDI2230標準進行計算結果如下:

表 1

從上述計算結果可看出, 螺栓杆部疲勞強度的安全裕度很大, 說明斷裂失效時「先松、後斷」。

對失效主要影響因子羅列如下:滑絲故障主要從螺紋牙第一扣開始出現滑絲, 從工藝影響因素考慮, 包括摩擦係數過大, 配合後產生粘滑, 或摩擦係數國小, 導致軸力過大, 螺紋牙出現塑性變形。

從設計因素考慮, M22螺栓的規格太小, 不適合國內使用工況, 或螺紋旋合長度不足, 導致螺紋處載荷過大, 導致塑性變形失效。

斷裂故障前面分析為先松後斷, 主要印象因素為摩擦係數過大, 軸向力不足, 或摩擦係數不穩定, 軸向力不均勻, 或螺栓螺母連接件結構不合理, 放鬆退性能差。羅列圖標如下:

圖 4

2、三大主機廠對比

通過索賠金額按相同方法推算三大主機廠售後索賠, 情況如表2。

表 2

從表2可看出, 陝汽與其他主機廠相比, 索賠金額居高, 通過對三家產品結構進一步分析, 得出產品具體結構及表面處理工藝如表3。

表 3

結論為陝汽車輪螺母摩擦係數散度過大, 螺紋有效旋合長度最小, 進一步對標德國MAN原裝車輪螺母, 該螺母設計有「薄壁帶螺紋」結構, 進一步均布前幾扣螺牙載荷。

3、摩擦係數和表面工藝的影響分析

摩擦係數影響分析

根據SCHATZ的相關實驗數據, 相同的安裝扭矩, 摩擦係數u=0.08和u=0.16時, 其螺栓摩擦下屬和扭矩的關係如下圖所示:

圖 5

結論為相同扭矩下, u=0.08所產生的軸向夾緊力比u=0.16提高了81.8%。

3.1 那麼究竟多大的摩擦係數最合適?

以M22×1.5強度等級為10.9級螺栓為例, 實驗結果如下:

圖 6

可見, 為提高同規格螺栓的最大允許預緊力, 應適當減小螺紋的摩擦係數。而德國VDI標準中推薦螺母摩擦係數應該不小於0.08, 從而避免鬆動的問題, 不大於0.2, 從而避免粘滑效應、螺栓利用率低等問題。MAN183標準推薦為0.08-0.14。

3.2 表面工藝影響分析

表面工藝不同的情況下, 各取10套產品進行重複擰緊實驗, 實驗記錄數據如下:

圖 7

10次重複擰緊的結論:鍍鋅+鍍鋅+潤滑脂的表面處理產品, 實驗驗證摩擦係數變差最大, 達到0.09;

鍍鋅+鍍鋅+穩定劑的表面處理產品, 摩擦係數變差為0.05;

磷化+磷化的表面處理產品, 摩擦係數變差最穩定, 不到0.02。

4、螺母結構的影響分析

4.1 螺紋有效旋合長度的計算

根據VDI12230標準, 利用Launch Zthread軟體計算, 結論為Meff=21.11, 得到安全的有效旋合長度為14扣。

圖 8

圖 9

4.2前幾扣受力螺紋牙結構

由此可見, 由11扣提升至14扣, 第一扣載荷佔比由23.20%降低為21.50%, 降低了7.3%, 扣數由14提升至16時, 第一扣載荷佔比由21.50%降低為20.88%, 降比僅為2.7%, 降幅不大。

圖 10

5、幾種改進方案的對比分析

根據前面分析得出表4:

表 4

最終確定方案如下:

方案一:螺母總高27更改為29, 要求該費用參考MAN結構, 有效旋合扣數15扣, 且保證前兩扣延伸至墊圈部位, 提高連接強度。成本分析為, 螺栓成本不變, 螺母高度增加2mm, 下料重量增加0.02kg, 每年約增加120噸鋼材成本。

方案二:螺栓增加5mm, 螺母總高由27更改為32, 要求供應商參照MAN結構, 有效旋合可達17扣, 且保證前兩扣延伸至墊圈部位, 提高連接強度。

成本分析為, 螺栓總高增加5mm, 重量增加0.015kg, 螺母增加高度為5mm, 下料重量增加0.05kg, 每年約增加390噸鋼材成本。