文章通過對標分析, 結(jié)合相關標準文件及計算對重型卡車車輪螺母選型進行了分析, 主要從車輪螺母失效形式、車輪螺母結(jié)構(gòu)、車輪螺母裝配工藝燈方面進行了解析, 從而有效改善了車輪螺母售后失效率高的現(xiàn)象, 將售后失效率由1%降低到0.1%以下。
1、車輪螺母故障模式及失效分析
車輪螺母在售后市場表現(xiàn)出的故障模式主要為與其配合的螺栓出現(xiàn)斷裂、滑扣現(xiàn)象, 最終導致輪胎脫落等重大質(zhì)量問題, 模式圖片如下:
圖1 圖2 圖3
2014年7月到2015年6月, 車輪螺栓故障情況如下:售后故障數(shù)共計4298起, 螺栓索賠金額達107.5萬元, 車輪螺母索賠金額約達9萬元。
羅太螺栓花絲斷裂后, 加速了制動鼓龜裂、摩擦片異常磨損、輪輞斷裂、輪邊減速器故障的發(fā)生。
1.1 車輪螺栓為什么會滑絲、斷裂?
經(jīng)對2014年7月到2015年6月失效模式分析, 其中螺紋牙型產(chǎn)生明顯的軸向拉伸變形的故障現(xiàn)象約占60%, 斷裂故障模式約占40%, 其中桿部斷裂面為明顯帶疲勞裂紋的故障約占25%, 螺紋部斷裂面明顯帶疲勞裂紋的約占75%。
將螺栓按VDI2230標準進行計算結(jié)果如下:
表 1
從上述計算結(jié)果可看出, 螺栓桿部疲勞強度的安全裕度很大, 說明斷裂失效時“先松、后斷”。
對失效主要影響因子羅列如下:滑絲故障主要從螺紋牙第一扣開始出現(xiàn)滑絲, 從工藝影響因素考慮, 包括摩擦系數(shù)過大, 配合后產(chǎn)生粘滑, 或摩擦系數(shù)國小, 導致軸力過大, 螺紋牙出現(xiàn)塑性變形。
從設計因素考慮, M22螺栓的規(guī)格太小, 不適合國內(nèi)使用工況, 或螺紋旋合長度不足, 導致螺紋處載荷過大, 導致塑性變形失效。
斷裂故障前面分析為先松后斷, 主要印象因素為摩擦系數(shù)過大, 軸向力不足, 或摩擦系數(shù)不穩(wěn)定, 軸向力不均勻, 或螺栓螺母連接件結(jié)構(gòu)不合理, 放松退性能差。羅列圖標如下:
圖 4
2、三大主機廠對比
通過索賠金額按相同方法推算三大主機廠售后索賠, 情況如表2。
表 2
從表2可看出, 陜汽與其他主機廠相比, 索賠金額居高, 通過對三家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進一步分析, 得出產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)及表面處理工藝如表3。
表 3
結(jié)論為陜汽車輪螺母摩擦系數(shù)散度過大, 螺紋有效旋合長度最小, 進一步對標德國MAN原裝車輪螺母, 該螺母設計有“薄壁帶螺紋”結(jié)構(gòu), 進一步均布前幾扣螺牙載荷。
3、摩擦系數(shù)和表面工藝的影響分析
摩擦系數(shù)影響分析
根據(jù)SCHATZ的相關實驗數(shù)據(jù), 相同的安裝扭矩, 摩擦系數(shù)u=0.08和u=0.16時, 其螺栓摩擦下屬和扭矩的關系如下圖所示:
圖 5
結(jié)論為相同扭矩下, u=0.08所產(chǎn)生的軸向夾緊力比u=0.16提高了81.8%。
3.1 那么究竟多大的摩擦系數(shù)最合適?
以M22×1.5強度等級為10.9級螺栓為例, 實驗結(jié)果如下:
圖 6
可見, 為提高同規(guī)格螺栓的最大允許預緊力, 應適當減小螺紋的摩擦系數(shù)。而德國VDI標準中推薦螺母摩擦系數(shù)應該不小于0.08, 從而避免松動的問題, 不大于0.2, 從而避免粘滑效應、螺栓利用率低等問題。MAN183標準推薦為0.08-0.14。
3.2 表面工藝影響分析
表面工藝不同的情況下, 各取10套產(chǎn)品進行重復擰緊實驗, 實驗記錄數(shù)據(jù)如下:
圖 7
10次重復擰緊的結(jié)論:鍍鋅+鍍鋅+潤滑脂的表面處理產(chǎn)品, 實驗驗證摩擦系數(shù)變差最大, 達到0.09;
鍍鋅+鍍鋅+穩(wěn)定劑的表面處理產(chǎn)品, 摩擦系數(shù)變差為0.05;
磷化+磷化的表面處理產(chǎn)品, 摩擦系數(shù)變差最穩(wěn)定, 不到0.02。
4、螺母結(jié)構(gòu)的影響分析
4.1 螺紋有效旋合長度的計算
根據(jù)VDI12230標準, 利用Launch Zthread軟件計算, 結(jié)論為Meff=21.11, 得到安全的有效旋合長度為14扣。
圖 8
圖 9
4.2前幾扣受力螺紋牙結(jié)構(gòu)
由此可見, 由11扣提升至14扣, 第一扣載荷占比由23.20%降低為21.50%, 降低了7.3%, 扣數(shù)由14提升至16時, 第一扣載荷占比由21.50%降低為20.88%, 降比僅為2.7%, 降幅不大。
圖 10
5、幾種改進方案的對比分析
根據(jù)前面分析得出表4:
表 4
最終確定方案如下：
方案一:螺母總高27更改為29, 要求該費用參考MAN結(jié)構(gòu), 有效旋合扣數(shù)15扣, 且保證前兩扣延伸至墊圈部位, 提高連接強度。成本分析為, 螺栓成本不變, 螺母高度增加2mm, 下料重量增加0.02kg, 每年約增加120噸鋼材成本。
方案二:螺栓增加5mm, 螺母總高由27更改為32, 要求供應商參照MAN結(jié)構(gòu), 有效旋合可達17扣, 且保證前兩扣延伸至墊圈部位, 提高連接強度。
成本分析為, 螺栓總高增加5mm, 重量增加0.015kg, 螺母增加高度為5mm, 下料重量增加0.05kg, 每年約增加390噸鋼材成本。