文章通过对标分析, 结合相关标准文件及计算对重型卡车车轮螺母选型进行了分析, 主要从车轮螺母失效形式、车轮螺母结构、车轮螺母装配工艺灯方面进行了解析, 从而有效改善了车轮螺母售后失效率高的现象, 将售后失效率由1%降低到0.1%以下。
1、车轮螺母故障模式及失效分析
车轮螺母在售后市场表现出的故障模式主要为与其配合的螺栓出现断裂、滑扣现象, 最终导致轮胎脱落等重大质量问题, 模式图片如下:
图1 图2 图3
2014年7月到2015年6月, 车轮螺栓故障情况如下:售后故障数共计4298起, 螺栓索赔金额达107.5万元, 车轮螺母索赔金额约达9万元。
罗太螺栓花丝断裂后, 加速了制动鼓龟裂、摩擦片异常磨损、轮辋断裂、轮边减速器故障的发生。
1.1 车轮螺栓为什么会滑丝、断裂?
经对2014年7月到2015年6月失效模式分析, 其中螺纹牙型产生明显的轴向拉伸变形的故障现象约占60%, 断裂故障模式约占40%, 其中杆部断裂面为明显带疲劳裂纹的故障约占25%, 螺纹部断裂面明显带疲劳裂纹的约占75%。
将螺栓按VDI2230标准进行计算结果如下:
表 1
从上述计算结果可看出, 螺栓杆部疲劳强度的安全裕度很大, 说明断裂失效时“先松、后断”。
对失效主要影响因子罗列如下:滑丝故障主要从螺纹牙第一扣开始出现滑丝, 从工艺影响因素考虑, 包括摩擦系数过大, 配合后产生粘滑, 或摩擦系数国小, 导致轴力过大, 螺纹牙出现塑性变形。
从设计因素考虑, M22螺栓的规格太小, 不适合国内使用工况, 或螺纹旋合长度不足, 导致螺纹处载荷过大, 导致塑性变形失效。
断裂故障前面分析为先松后断, 主要印象因素为摩擦系数过大, 轴向力不足, 或摩擦系数不稳定, 轴向力不均匀, 或螺栓螺母连接件结构不合理, 放松退性能差。罗列图标如下:
图 4
2、三大主机厂对比
通过索赔金额按相同方法推算三大主机厂售后索赔, 情况如表2。
表 2
从表2可看出, 陕汽与其他主机厂相比, 索赔金额居高, 通过对三家产品结构进一步分析, 得出产品具体结构及表面处理工艺如表3。
表 3
结论为陕汽车轮螺母摩擦系数散度过大, 螺纹有效旋合长度最小, 进一步对标德国MAN原装车轮螺母, 该螺母设计有“薄壁带螺纹”结构, 进一步均布前几扣螺牙载荷。
3、摩擦系数和表面工艺的影响分析
摩擦系数影响分析
根据SCHATZ的相关实验数据, 相同的安装扭矩, 摩擦系数u=0.08和u=0.16时, 其螺栓摩擦下属和扭矩的关系如下图所示:
图 5
结论为相同扭矩下, u=0.08所产生的轴向夹紧力比u=0.16提高了81.8%。
3.1 那么究竟多大的摩擦系数最合适?
以M22×1.5强度等级为10.9级螺栓为例, 实验结果如下:
图 6
可见, 为提高同规格螺栓的最大允许预紧力, 应适当减小螺纹的摩擦系数。而德国VDI标准中推荐螺母摩擦系数应该不小于0.08, 从而避免松动的问题, 不大于0.2, 从而避免粘滑效应、螺栓利用率低等问题。MAN183标准推荐为0.08-0.14。
3.2 表面工艺影响分析
表面工艺不同的情况下, 各取10套产品进行重复拧紧实验, 实验记录数据如下:
图 7
10次重复拧紧的结论:镀锌+镀锌+润滑脂的表面处理产品, 实验验证摩擦系数变差最大, 达到0.09;
镀锌+镀锌+稳定剂的表面处理产品, 摩擦系数变差为0.05;
磷化+磷化的表面处理产品, 摩擦系数变差最稳定, 不到0.02。
4、螺母结构的影响分析
4.1 螺纹有效旋合长度的计算
根据VDI12230标准, 利用Launch Zthread软件计算, 结论为Meff=21.11, 得到安全的有效旋合长度为14扣。
图 8
图 9
4.2前几扣受力螺纹牙结构
由此可见, 由11扣提升至14扣, 第一扣载荷占比由23.20%降低为21.50%, 降低了7.3%, 扣数由14提升至16时, 第一扣载荷占比由21.50%降低为20.88%, 降比仅为2.7%, 降幅不大。
图 10
5、几种改进方案的对比分析
根据前面分析得出表4:
表 4
最终确定方案如下：
方案一:螺母总高27更改为29, 要求该费用参考MAN结构, 有效旋合扣数15扣, 且保证前两扣延伸至垫圈部位, 提高连接强度。成本分析为, 螺栓成本不变, 螺母高度增加2mm, 下料重量增加0.02kg, 每年约增加120吨钢材成本。
方案二:螺栓增加5mm, 螺母总高由27更改为32, 要求供应商参照MAN结构, 有效旋合可达17扣, 且保证前两扣延伸至垫圈部位, 提高连接强度。
成本分析为, 螺栓总高增加5mm, 重量增加0.015kg, 螺母增加高度为5mm, 下料重量增加0.05kg, 每年约增加390吨钢材成本。