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微型汽车轮毂螺栓联接刚度及振动特性

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：王重阳

[导读] 摘要：螺纹联接件在汽车结构中广泛存在，其中轮毂螺栓联接是汽车轮毂联接的主要方式，对整车的性能和安全起着极其重要的作用。

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        摘要：螺纹联接件在汽车结构中广泛存在，其中轮毂螺栓联接是汽车轮毂联接的主要方式，对整车的性能和安全起着极其重要的作用。而轮毂螺栓联接的动态特性又是影响汽车行驶的平顺性、安全性能以及舒适性能的重要因素。本文从轴向和横向对汽车轮毂螺栓联接的载荷特性、联接刚度以及振动特性进行了比较系统的研究。
        关键词：微型汽车；轮毂螺栓；联接刚度；振动特性
        一、微型汽车轮毂结构
        轮毂是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶形的金属圈，又叫轮圈、钢圈、轱辘、胎铃，根据直径、宽度、成型方式、材料不同种类繁多。同时，轮毂是车轮的中心，是连接车轮与轮毂轴承单元重要的零件。轮毂常用的材料有：铸铁、铝合金、工程材料以及镁合金。其中，铝合金轮毂目前应用最为普遍。
        二、轮毂螺栓和螺母
        （1）螺栓的选择
        螺栓的种类繁多，轮毂上螺栓主要分为T型螺栓和双头型螺栓，而一般应用到微型车上的螺栓所选取的尺寸规格为M12，性能等级10.9，而大中型车选用性能等级12.9的螺栓。
        （2）螺母的选择
        轮毂上的螺母是用来固定汽车外轮毂的专用螺母，而螺母的形状和规格不同，也没有一个固定的标准。同螺栓类似，螺母也有不同的规格型号和强度等级，具体有M12-M24不同规格型号，4级-12级不同的强度等级。螺母的材料也分为碳素结构钢Q235、45钢等等。与普通的六角螺母相比，这里的轮毂螺母头为等六边形状，并且螺母的另一头有一定的锥度。一般情况下，轮毂螺母的锥面的角度有59°、59.5°、60°、60.5°、61°。
        三、微型汽车轮毂螺栓联接刚度分析
        螺栓联接的刚度主要分为两类：构件自身的刚度和结合面接触刚度。其中，构件自身的刚度仅仅与自身的结构参数有关，而结合面的刚度不仅仅与结构参数有关，还与所受到的载荷有关。如图1为螺栓预紧力F0、车轮侧向力Fy以及驱动力Fx对轮毂螺栓联接轴向刚度ka的影响。

图1 预紧力F0对螺栓联接轴向刚度ka的影响

        图2 侧向力Fy对螺栓联接轴向刚度ka的影响
        从图1图2可以看出，预紧力和侧向力对螺栓联接的轴向刚度有所影响，而驱动力对螺栓轴向刚度影响几乎可以忽略，即车轮所受的横向载荷对螺栓联接的轴向刚度影响很小；随着预紧力的增大，螺栓联接的轴向刚度增大，并且预紧力越大，螺栓联接的轴向刚度波动越小；随着侧向力的增大，螺栓联接的轴向刚度减小，并且侧向力越大，螺栓联接轴向刚度的变化程度越大。
        综合以上分析，可以得出汽车轮毂螺栓联接的轴向载荷对轮毂螺栓联接的轴向刚度和横向刚度的影响都很大，而横向载荷对汽车轮毂螺栓联接的横向刚度有所影响，对轴向刚度的影响却并不大。
        四、微型汽车轮毂螺栓联接振动特性分析
        工程结构中的螺栓联接应用十分广泛，并且螺栓联接的特性（特别是其动力性特性）极其复杂，所以引起国内外学者广泛的兴趣，而对于螺栓联接振动特性的研究，一般情况下学者将螺栓联接简化成线性的弹簧阻尼系统。
        汽车轮毂螺栓联接主要构件包括：轮毂、轮盘、轮毂螺栓、螺母。而实际汽车行驶过程中，轮胎与地面直接接触，因此对汽车轮毂螺栓联接进行振动特性分析时必须考虑轮胎的接触变形对振动的影响。汽车轮毂螺栓联接是一个弹性的机械系统，各构件之间的接触变形会引起动态激励，系统在这种动态激励下将产生动态响应，引起振动和噪声。因此，汽车轮毂螺栓联接振动是平移振动和扭转振动相互耦合的振动系统，图3为汽车轮毂螺联接接平移—扭转耦合振动特性模型。

        图3 汽车轮毂螺栓联接平移—扭转耦合振动特性模型
        图3中a）图为汽车轮毂螺栓联接轴向振动模型。模型可简化为单自由度的弹簧、阻尼系统，即将汽车轮毂简化为质量块，其质量为m1，将螺栓联接简化为弹簧，而ka为轮毂上螺栓联接总的轴向刚度，螺栓联接处的阻尼由系统的粘性阻尼以及螺栓螺纹接触面相对滑移产生的库伦摩擦阻尼产生，而轮毂上螺栓联接总的阻尼分别为cb。其中，螺栓联接总的轴向刚度ka=∑kai（i=1，2…3），kai为单个轮毂螺栓联接的轴向刚度；同样，螺栓阻尼ca=∑cai（i=1，2…3），cai为单个螺栓的阻尼。同时，轮毂还受到平行于地面的力F作用，其中ys（t）和y（t）分别为基础和质量块的位移。
        图3中b）为汽车轮毂螺栓联接横向振动模型。其中，0为地面，1为轮毂，2为轮盘。轮毂的质量为m1，轮盘的质量为m2，Fx为车轮与地面之间的驱动力。轮盘与轮毂之间通过弹簧有机的联结在一起，而螺母与轮毂支承面通过扭转弹簧相连，各弹簧均与一阻尼相并联，其中螺栓联接与轮毂支承面之间的阻尼未画。其他符号的含义如下：ka为螺栓联接总的轴向刚度，ka=∑kai（i=1，2…5）；kri（i=1，2，…5）为螺母与轮毂支承面接触刚度与螺栓头与轮盘切向刚度的并联刚度；kτx为轮毂与轮盘之间x向的切向刚度，kτz为轮毂与轮盘z向的切向刚度，kx为轮胎与地面之间的纵向刚度，ky为轮胎的侧向刚度，kz为轮胎与地面之间的径向刚度，kθ为轮胎的扭转刚度；cτx为轮毂与轮盘x向的切向阻尼，cτz为轮毂与轮盘z向的切向阻尼，cx、cz、cθ分别为轮胎自身的阻尼，xi为各构件沿x方向的横位移（i=0，1，2），zi为各构件沿z方向的位移（i=0，1，2），ui为各构件的扭转线位移（i=1，2），φi（i=1，2…5）为螺栓在轮毂上的位置角，z0为地面的有效不平度。
        结语：
        通过分析载荷对刚度的影响，得出汽车轮毂螺栓联接的轴向载荷对轴向刚度和横向刚度都有比较大的影响，而横向载荷对轴向刚度的影响却不大。汽车轮毂螺栓联接振动是平移振动和扭转振动相互耦合的振动系统。根据构件之间的受力关系与构件之间的位置关系，不考虑轮毂绕x轴的翻转运动和绕z轴的回转运动，建立自由度的振动模型。
        参考文献：
        [1]张学良，黄玉美，韩颖.基于接触分形理论的机械结合面法向接触刚度模型[J].中国机械工程2018，27（3）：727-728.
        [2]杨国庆，王飞，洪军，朱林波.螺栓被连接件刚度理论计算方法[J].西安交通大学学报，2018，46（7）：50-54.