车轮螺栓受力分析
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
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±, D=37mm ,d=33mm ,p=,d 2=, ⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡=2d p atg πα=,螺纹副摩擦因数ξ取(无润滑油取至),
ρ=atg ξ=(ξ取时,ρ=。单个车轮螺母拧紧预紧力为:
()()(
)
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡--++=
2223
32022d 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=
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= 3、后轮最大垂直负载(冲击力)计算: N=1/2g ·k ·G 2=×××2500=30625N
式中,g 为重力加速度,k 为过载系数(货车取),G 2为后轴满载轴荷。 4、最大制动力计算:
F Z =1/2g ·ψ·
G 2=×××2500=4900N 式中,ψ为路面附着系数,一般取ψ=。 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):
[]x
S S στ==720/5=144Mpa
式中:S σ为屈服极限,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—5 B 、 螺栓所受的剪切应力计算:
车轮螺栓规格6-M20×,机械性能等级,螺栓受剪切处最小直径d 0=19 S=π×d 02/4= mm 2
单个车轮螺栓所受的剪切应力: τ=N/6S=30625/6/=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=。
假设最下方螺栓所受的拉力为侧向力的一半:
==
y X F F 2
1
12250N 车轮螺栓拉应力计算:
已知,级螺栓屈服强度为σs=720 MPa
F=F X +F M1=44848+12250=57098N σ=F/S=57098/=
螺栓拧紧时还受到扭矩所产生的扭剪应力:
3
22
3016d d D d
D P M W T πμτ---===120MPa
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:
223τσσ+=ca = MPa <σs=720 Mpa
安全系数S=720/= 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。