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；
F MI—杯形螺母拧紧时产生的对车轮螺栓的拉力（预紧力）；
F X—转向或侧倾时产生的侧向横力；
F M—紧固螺母对F MI的反作用力；
F M2 —紧固螺母对F x的反作用力；
F W—汽车牵引力作用于车轮螺栓上的力；
F S—汽车行驶阻力；
F Z —汽车制动时产生的制动力；
F G—轮毂对F Z的作用反力。

,G=N F X= F M2, F M= F M, F W= F S , F Z= F G
2、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；
F MI—轮辋对车轮螺母的推力（预紧力）；
F X—转向或侧倾时产生的侧向力；
F M—紧固螺母对F MI的反作用力；
F M2—车轮螺栓对F X的反作用力；
F W—汽车牵引力作用于车轮螺母上的力；
F S—汽车行驶阻力；
F Z—汽车制动时产生的制动力；
F G—通过轮毂传到螺母对F Z的作用反力。

其中，G=N F X= F M2，F M= F M, F W= F S，F Z= F G
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土 30N.m ， D=37mm d=33mm p=1.5， d 2=19.025mnm
a =atg|—巳 J.43763，螺纹副摩擦因数E 取 0.35 （无润滑油取0.3至 日d 2 一
0.4 ），
P =atg E =19.29（ E 取0.3时，p =16.699）。

单个车轮螺母拧紧预紧力为:
式中:
:—车轮螺栓螺纹螺旋角
D —螺母球面接触大径
d 2 —螺纹中径 卩一摩擦因数，钢对钢取卩=0.15
N900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=6X P o =369088N
2、 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=y ・ P=55363.2N
3、 后轮最大垂直负载（冲击力）计算：
N=1/2g • k • G 2=0.5 X 9.8 X 2.5 X 2500=30625N
式中，g 为重力加速度，k 为过载系数（货车取2.5 ），G 2为后轴满载轴荷。

4、 最大制动力计算：
F z =1/2g •书• G=0.5 X 9.8 X 0.8 X 2500=4900N
式中，书为路面附着系数，一般取书=0.8 d 2 tg ：
2」D 3 -d 3 d 2D 2-d 2 =44848N （最小 42235N ）
M —车轮螺母拧紧力矩 P —螺纹摩擦角 d —螺母球面接触小径
5、 制动时重力与制动力的合力：
F= . N 2 F Z =13194N
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）:
式中：匚S 为屈服极限，9.8级螺栓取720Mpa
S x 为螺栓联接的安全系数，对于合金钢，一般取 3.5 — 5
B 、螺栓所受的剪切应力计算： 车轮螺栓规格6-M20X 1.5，机械性能等级9.8，螺栓受剪切处最小直径d 0=19
2 2
S= nX d °/4=283.5 mm 单个车轮螺栓所受的剪切应力：
T =N/6S=30625/6/283.5=18N/mm2v 〔丄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
用力一向心力。

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。

=720/5=144Mpa
车昭右啊领时车帮左侧
加时
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=0.5G。

假设最下方螺栓所受的拉力为侧向力的一半：
1
F X F y=12250N
2 y
车轮螺栓拉应力计算：
已知，9.8级螺栓屈服强度为c s=720 MPa
F=F<+F M=44848+12250=57098N
c =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:
U D3 _d
T Jr E 16 3~
W二d；
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:
二ca =、；丁2 3 2 =289.4 MPa Vc s=720 Mpa 安全系数
S=720/289.4=2.49 =120MPa
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。