车轮螺栓是车辆的重要紧固件，对于重型商用车后桥其功用是固联轮毂、轮边减壳、制动鼓及轮辋，并通过车轮螺母将车轮轮辋总成固定在后桥上，使车轮实现承载和传递动力的作用。车轮螺栓的服役质量直接影响着汽车的性能及安全。往往，车轮螺栓断裂主要由于车轮螺母松动而导致，对于螺栓断裂的形式多为疲劳断裂，而引起疲劳断裂的原因也多为螺栓预紧力不足，导致螺栓受外部变载荷过大，从而引起疲劳断裂。

1 车轮螺栓断裂分析

某商用车车轮螺栓材质为ML35CrMo钢，规格为M22×1.5，性能等级为10.9级，热处理状态为调质处理，生产工艺为冷镦、滚丝、热处理、表面镀锌处理。在车辆行驶约1000余公里时发生了车轮螺栓断裂，该轮胎共由10根螺栓固定，事故发生时8根螺栓全部断裂，断裂位置大致相同。

该车轮螺栓断裂桥的轮边相关件装配结构如图1所示。

图1 轮边结构示意图

1.1 宏观和微观观察

为了确定车轮螺栓断裂原因，对车轮螺栓断口进行宏观观察分析，见图2所示。

从图2螺栓的断口表面形貌来看，螺栓的断裂位置均位于车轮螺栓与轮毂过盈配合的端部，距螺栓端头约20 mm，处于螺栓的光杆部分。断裂位置见图3所示。

图2 失效车轮螺栓

图3 车轮螺栓断裂位置示意图

从图2可得，轮毂与轮边减壳的接触面有明显的微动磨损。车轮螺栓与轮毂过盈配合部分有明显的微动磨损。

1.1.1电镜观察

为了进一步查找车轮螺栓的断裂原因，采用扫描电镜 (SEM) 对断口形貌进行观察，如图4～6 所示。

图4 断口扩展区

图5 螺栓表面微动磨损

图6 螺栓断裂源区横截面形貌

经电镜扫描，断裂区无氢脆、杂质等制造缺陷。

由图2及图5所示：靠近疲劳裂源，螺栓杆部外圆表面(与轮毂过盈配合段)可见凹坑及微裂纹，螺栓表面微动磨损连通扩展形成大的微裂纹而构成裂纹源，这一裂纹源是在交变载荷作用下由表面向内部扩展而形成。

1.1.2理化分析

出现疲劳辉纹，表明断裂时螺栓承受的应力较大，最后断裂面积较小，表明断裂时螺栓承受的应力较小。基于此冲突，通过对上述2#螺栓断口的成分、金相组织、硬度等方面分析，其车轮螺栓的组织为淬火高温回火后的索氏体组织，金属流线分布及夹杂物分布均未见异常，晶粒大小适当，未见组织异常。化学成分也符合标准要求，见表1所示。螺栓芯部洛氏硬度HRC测定值为34.0、35.0、35.0，检测结果符合10.9级螺栓要求。

表1 断裂螺栓的化学成分(质量分数)

2 断裂原因分析

对于疲劳裂纹扩展区较宽的螺栓(最初断裂的部分螺栓)断口，疲劳裂纹扩展区约占整个断口面积的70%。这表明螺栓在使用过程中承受的应力较小，该螺栓的塑韧性较好，其断裂性质属于受力不均，局部存在应力集中，致使螺栓杆部受挤压与微转动产生了塑性变形及微动磨损，诱发了螺栓表面磨损裂纹及断口裂纹源的萌生。

车轮螺栓断口有从裂纹源向螺栓径向逐渐扩展的贝纹状花样特征，当疲劳条纹扩展到一定程度，即失稳扩展时发生瞬时断裂，该断裂形式为弯曲疲劳断裂。

经分析，车轮螺栓的断裂为依次断裂，具体为：双向弯曲疲劳→单向弯曲疲劳(扩展区较宽)→单向弯曲疲劳(扩展区较窄)→瞬断。

经以上分析，车轮螺栓的断裂为车轮螺栓在驱动及制动工况时受到来自轮辋、轮边减壳及制动鼓的周向力(车轮螺栓分度圆切线方向的力)在断裂位置产生的弯曲应力所致。

经以上分析，导致车轮螺栓受到弯曲应力的根本原因为车轮螺母发生了松动。

在车轮螺母松退初期，车轮螺栓与轮边减壳、制动鼓及轮辋在驱动工况与制动工况的接触同时仅可能有2～4条螺栓，因此在此断裂位置将产生远超过车轮螺栓疲劳极限的弯曲应力，因而出现了车轮螺栓裂纹源的形成。随着车辆进一步的运行，在交变载荷作用下，螺栓裂纹源处的裂纹不断扩展、闭合，形成了疲劳裂纹。在交变机械应力的继续作用下，疲劳裂纹进一步扩展，最终导致螺栓疲劳断裂，并依次断裂。

3 车轮螺母松退原因分析

螺母松退通常由于初始拧紧力矩不足，螺栓、连接件的污损，拧紧顺序错误，连接件间存在间隙，震动影响等造成

。排除人为操作错误及外在因素，其根本原因有：一是防松方法不可靠，二是预紧力不足。对于本文中提到的车轮螺母松退问题，由于该结构已得到市场充分验证，可排除防松方法不可靠。

基于此，本文着重介绍关于连接件表面不平而引发预紧力不足造成车轮螺母松退的问题。

3.1 连接件的下陷松弛

由于紧固件与被夹持零件之间的挤压面不可能绝对平整。由于零件表面凸点的存在，因此，在安装好紧固件时，被夹持零件局部小区域将发生永久的塑性变形，该变形主要出现在平面度较差一方。由于凸点的下陷，从而使螺栓的拉伸量缩短，轴力减小，出现螺栓松弛，即下陷松弛，此时在使用过程中将导致实际的螺栓预紧力不足而引发螺母松退。

该下陷松弛的存在，对于重要连接的动载荷而言，需要定期对螺母进行二次复紧，以消除螺纹副的松弛。

3.2 轮辋平面度对螺母松退的影响

国内部分车企要求轮辋平面度为0.4mm，而国外要求轮辋平面度为0.2mm。因轮辋不平，当车轮螺母拧紧时，有相当一部分螺栓轴力用来克服轮辋的弹性变形，强迫轮辋与制动鼓接触与压平。在汽车转弯或侧滑等工况时，轮辋的部分面将进一步受到夹紧力，此时轮辋的弹性变形将转变为塑性变形，原有的弹力衰退，这时螺栓的预紧力因弹力衰退而引发车轮螺母在使用过程中松退。

4 总结

实际使用过程中螺栓对轮辋等零部件的夹紧力不足是车轮螺栓断裂的根本原因。

轮辋平面度不合格、使用后车轮螺母不复紧是造成车轮螺栓失效的主要原因。

有效的控制螺纹副扭矩系数，并采用准确合理的拧紧力矩及拧紧方法对螺栓螺母的正常服役至关重要。

本文来源：EDC电驱未来 侵删