车轮螺栓受力分析
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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