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 M1—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 M1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。

其中，G=N，F X= F M2，F M1= 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 M1—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 M1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 M1= F M ，F W = F S ，F Z = F G

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，d 2=19.025mm ， ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=2d p atg πα=1.43763，螺纹副摩擦因数ξ取0.35（无润滑油取0.3至0.4）， ρ=atg ξ=19.29(ξ取0.3时，ρ=16.699)。单个车轮螺母拧紧预紧力为： ()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡--++=222332022d D d d D tg d M

P μρα=44848N （最小42235N ）

式中：

M — 车轮螺母拧紧力矩 α — 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 d 2 — 螺纹中径

μ— 摩擦因数，钢对钢取μ=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=6×P 0=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=μ·P=55363.2N

3、后轮最大垂直负载（冲击力）计算：

N=1/2g ·k ·G 2=0.5×9.8×2.5×2500=30625N

式中，g 为重力加速度，k 为过载系数（货车取2.5），G 2为后轴满载轴荷。

4、最大制动力计算：

F Z =1/2g ·ψ·

G 2=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 ==+220Z F N 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）:

[]x

S S στ==720/5=144Mpa 式中：S σ为屈服极限，9.8级螺栓取720Mpa ；

x S 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-M20×1.5，机械性能等级9.8，螺栓受剪切处最小直径d 0=19 S=π×d 02/4=283.5 mm 2

单个车轮螺栓所受的剪切应力:

τ=N/6S=30625/6/283.5=18N/mm2＜[]τ=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=0.5G 2。

假设最下方螺栓所受的拉力为侧向力的一半：

==y X F F 2

112250N 车轮螺栓拉应力计算：

已知，9.8级螺栓屈服强度为σs=720 MPa

F=F X +F M1=44848+12250=57098N

σ=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：

30223016d d D d D P M W T πμτ---===120MPa