汽車車輪螺母扭矩衰減分析

魏曉曉，孔小兵，莫立權

（北京汽車股份有限公司研究院，北京 101300）

汽車車輪螺母扭矩衰減分析

魏曉曉，孔小兵，莫立權

（北京汽車股份有限公司研究院，北京 101300）

針對汽車車輪螺母扭矩衰減問題進行了研究，分析了扭矩衰減的主要原因。經對車輪螺母的錐面角度及鋁車輪錐孔底部直徑調整后，殘余扭矩合格率顯著提高。另外為了進一步降低扭矩衰減量，進行了擰緊工藝步驟優化。扭矩衰減問題得到徹底解決，保證了車輪行駛的安全性。

車輪螺母；扭矩衰減；擰緊步驟

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-100-03

1 問題概述

螺紋聯接因其結構簡單、方便拆卸、低成本等特點，廣泛運用于各種工程結構的連接。螺紋聯接的松弛嚴重影響汽車運行的可靠性，甚至會造成車毀人亡的嚴重事故[1]。車輪作為汽車上的關鍵零部件，其安裝后的緊固質量對汽車的安全行駛十分重要。某車型車輪螺母規格為M12，性能等級為10.9級，表面處理為鍍鉻，裝配扭矩98Nm。小批量試生產過程中，螺母裝配擰緊后進行殘余扭矩檢測時，出現較大的扭矩衰減。該車輪螺母規定的殘余扭矩合格限為81-134Nm，而目前殘余扭矩檢測結果為 43-109Nm，大部分數值低于合格下限，經統計，不合格率達到57%。扭矩衰減會使車輪螺母存在松動風險，導致新車型不能正常投產。因此，分析解決車輪螺母扭矩衰減問題至關重要。

2 原因分析

圖1 裝配后的車輪螺母

圖2 裝配后的車輪

該車輪緊固系統由輪轂單元、制動盤、鋁車輪及車輪螺母構成。經對現場拆卸下來的車輪螺母進行觀察，發現螺母承壓面磨痕在錐面小徑處以及錐面頂端，且磨痕沒有分布完整一圈，部分螺母錐面僅一側有磨痕，見圖 1。另外，經對鋁車輪錐孔進行觀察，磨痕主要在錐形孔的底部及頂端，且部分錐孔的磨痕偏向一側，見圖 2。由此可見，該車輪螺母和車輪孔的錐面匹配存在問題。通常情況下，裝配擰緊后承壓面應在車輪螺母錐面中間，且車輪螺母與車輪錐孔上的磨痕應均勻。

從人機料法環五個方面進行分析，錐面匹配不良可能與人員操作不當、孔位的位置度、螺栓螺母與孔位的同心度、錐面配合的角度等因素有關。排查結果詳見表 1。最終確定錐面匹配不良的主要因素與車輪螺母與錐孔的配合角度及同心度有關。

表1 各因素排查結果

根據歷史設計經驗，一般對于錐形車輪螺母與鋁車輪配合，車輪螺母的錐面角度應比車輪錐孔角度大 0°-1°，以保證錐面有較大的貼合面積。而檢測發現車輪螺母的錐面角度小于車輪錐孔角度約1°左右，詳見表2和表3。擰緊過程中錐面配合時，螺母錐面小徑與錐孔底部接觸面積較小，會導致應力集中。

另外，經與其他車型對比發現，目前鋁車輪錐孔底部直徑為 15mm。當擰緊車輪螺母與輪轂單元上的螺栓配合時，可能因錐孔底部直徑偏大，使車輪錐孔與車輪螺母的同心度不佳。在擰緊過程中，錐面配合不良會產生集中應力,局部區域應力超過鋁車輪的屈服強度，使鋁車輪受擠壓發生永久變形[2]。在應力釋放后即會出現扭矩衰減。因此，改善車輪螺母和車輪錐孔的貼合，是解決扭矩衰減的關鍵。

表2 車輪螺母錐面角度

表3 車輪孔錐面角度

3 改進方案

3.1 零件改進

為獲得螺母與錐孔良好的貼合面和同心度，現將錐孔底部直徑由?15調整為?13，以保證螺母與錐孔同心度的精確性。將螺母錐面角度增大到 60°-61°，以增大錐面貼合面積。零件改進后，在臺架上模擬裝配，見圖 3，擰緊至目標扭矩98Nm，并在5min后測量殘余扭矩。試驗后拆卸下的車輪螺母見圖4。

圖3 模擬裝配臺架測試

圖4 試驗后的車輪螺母

經肉眼觀察可見，車輪螺母上的磨痕在錐面中間，磨痕面積比零件改進前大，且磨痕較均勻。這表明零件改進后，錐面貼合良好。在臺架上共進行20個車輪的模擬裝配擰緊并檢測扭矩衰減情況，殘余扭矩檢測結果詳見如下圖 5，檢測結果范圍為 71-119Nm，殘余扭矩值較改進前有所提高。不合格率由之前的57%降為11%，扭矩衰減情況明顯改善?？紤]到鋁車輪材質強度，車輪與制動盤的間隙，以及各連接部件的表面粗糙度等這些因素，不可避免地都會導致扭矩衰減。故為進一步降低扭矩衰減量，下步著手從擰緊策略上進行優化。

圖5 殘余扭矩檢測結果

3.2 擰緊工藝改進

圖6 改進前及改進后的擰緊工藝

降低扭矩衰減常用的擰緊優化方案有分步擰緊、降低轉速[3]及增加反松等。經過對擰緊步驟多次調整驗證，最終確定增加不完全反松及零速保持，且當不完全反松角度為30°時降低扭矩衰減量效果最佳。圖6為改進前后的擰緊工藝對比。改進后，再次進行20個車輪的殘余扭矩測試驗證，檢測結果范圍為89-125Nm，詳見圖7。這表明擰緊工藝優化后，殘余扭矩值明顯升高，衰減量進一步降低，目前殘余扭矩檢測結果全部滿足合格限要求。

圖7 擰緊工藝調整后的扭矩檢測結果

4 結論

導致扭矩衰減的原因很多，需多方面排查找到主要原因，并進行多次測試驗證。扭矩衰減可通過零件改進和擰緊工藝優化兩方面來解決。

錐形車輪螺母與鋁車輪錐孔配合不佳，會導致扭矩衰減。通過調整錐面配合的角度和同心度，可有效解決扭矩衰減問題。

擰緊工藝步驟對扭矩衰減影響較大，通過增加擰緊步驟，在擰緊程序增加不完全反松和零速保持，可以進一步降低扭矩衰減量，提高殘余扭矩值。

[1] 吳洪亮,謝俠等.后背門安裝螺栓力矩衰減研究[J].汽車工藝與材料,2017（1）：22-25.

[2] 錢海挺,饒麗芳等.車輪螺栓夾緊力的影響因素分析[J].機械強度,2015（3）：440-444.

[3] 王曉斌,陳平等.高強度鍍鋅螺栓扭矩衰減控制技術分析[J].機電工程技術,2016（7）：68-71.

Analysis on Torque Reduction of Vehicle Wheel Nut

Wei Xiaoxiao, Kong Xiaobing, Mo Liquan
（Baic Motor Corporation LTD. R&D Center, Beijing 101300）

The torque reduction of vehicle wheel nut is studied, and the main reason of torque reduction is analyzed. After changing the cone angle of the wheel nut and the bottom diameter of the aluminum wheel taper hole, the pass rate of residual torque is significantly improved. And then, in order to further reduce the amount of torque reduction, the tightening process is optimized. Torque reduction problem is completely resolved to ensure the safe of the wheel.

wheel nut; torque reduction; tightening process

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-100-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.035

魏曉曉，本科，中級工程師。就職于北京汽車股份有限公司研究院，主要從事緊固件的開發，計算校核，測試分析及相關標準制定等工作，并負責扭矩衰減方面的科技創新課題研究。