為了增加承載能力，卡車和其他大型車輛車輪通常采用雙輪胎結構。然而，這種結構的輪胎脫落事故時有發生，嚴重威脅道路安全。今天，螺絲君將通過實例分析和試驗驗證，解析事故原因并提出解決方案。
01
雙輪胎結構和螺栓緊固順序
雙輪胎緊固結構如下圖：內輪和外輪通過車輪螺栓、內輪螺母和外輪螺母組成的特殊螺紋緊固幅連接在輪轂上。首先將內螺母緊固在車輪螺栓上，然后將外螺母緊固在內螺母的外螺紋上。這種兩級擰緊操作是雙輪胎緊固的特征。
02
斷裂螺栓初步檢測
在觀察斷裂螺栓時發現，車輪螺栓和內輪螺母通常在最靠近螺母承載表面的第一個螺紋根部附近斷裂。斷口分析顯示斷口呈現典型的疲勞斷裂形貌，包括疲勞擴展區和最終斷裂區。微觀下可見螺紋根部存在多個疲勞裂紋起始點，疲勞區域具有特征性疲勞條帶和條紋，最終斷裂區呈現韌性斷裂特征。第一根嚙合螺紋處的應力集中，結合車輪旋轉和路面條件產生的循環載荷，導致疲勞裂紋的萌生和擴展。螺紋接口處觀察到的摩擦磨損痕跡表明夾緊力維持不足，服役過程中可能存在附加彎曲載荷。經金相組織觀察和機械性能測試，螺栓材料性能均符合標準要求。
03
兩級擰緊操作中的力與摩擦
在兩級擰緊操作中，內輪螺母首先被擰緊，使車輪螺栓具備一定的夾緊力；在隨后外螺母的擰緊過程中，夾緊力通過螺栓傳遞到內螺母上，內螺母夾緊力隨之增加。
這種力的傳遞不僅影響夾緊力的大小，還會對摩擦系數和接觸壓力產生顯著影響。為了探索摩擦系數與內輪螺母支撐面接觸壓力的關系，我們進行了假設測算，并繪制了相關圖表。在兩級擰緊中，目標扭矩均為600Nm。我們設定了初始條件，假設內輪螺母和外輪螺母的初始摩擦系數分別為μith 和μinu 。然后逐步增加內輪螺母的摩擦系數，并記錄相應的外輪螺母摩擦系數。根據不同摩擦系數，計算內螺母和外螺母的夾緊力分布，并將這些數據繪制成圖表。
測算結果顯示，隨著內輪摩擦系數（μith 和 μinu）的增大，外輪摩擦系數（μoth 和 μonu）變小。內輪摩擦系數的增大導致內螺母夾緊力減少，外螺母需要承擔更多的夾緊力。外螺母的摩擦系數減小，使其能夠更有效地傳遞夾緊力，從而維持總軸向力的平衡。然而，這種力的重新分配可能導致內螺母支撐表面的接觸壓力消失，增加連接部分的不穩定性和斷裂風險。
為了驗證這些理論分析，我們進行了基于實物的摩擦系數和夾緊力測量實驗。
04
基于實物的摩擦系數和夾緊力測量
為了驗證理論分析的準確性，我們使用實際車輛的擰緊方法和工具進行了實驗。使用輪轂及其周邊部件復原兩級擰緊結構，建造實驗裝置。在車輪螺栓上貼應變片測量夾緊力；為了測量螺紋表面的摩擦系數，實驗裝置中使用了額外的交叉應變片。這些應變片可以測量作用在螺栓圓柱形部分的扭矩。通過測量螺栓圓柱形部分的扭矩，可以推算出螺母支撐表面的摩擦系數。
實驗過程中，使用手動扳手按照實際車輛的擰緊方法進行操作。擰緊扭矩從100Nm增加到600Nm，每次增加100Nm，實驗重復五次。
在重復擰緊和拆卸過程中，螺紋表面（μith）和內螺母支撐表面（μinu）的摩擦系數都發生了顯著變化。相比螺紋表面，內螺母支撐表面的摩擦系數變化更為顯著。這是因為內螺母和內輪的接觸面是球形的，重復的擰緊和拆卸會導致接觸條件的變化。
實驗結果顯示，八個車輪螺栓的夾緊力存在顯著散差，并且在五次重復實驗中，每個螺栓的夾緊力也有顯著變化。這些結果表明，在實際操作中，手動擰緊方法可能導致夾緊力的不均勻分布，從而影響連接的穩定性和可靠性。
為了進一步提高連接的穩定性和可靠性，我們需要對現有的設計模型進行優化。通過構建與實際內螺母和內輪尺寸一致的有限元模型，我們可以評估內螺母支撐表面周圍的接觸壓力分布，并提出改進方案。
05
設計模型優化
通過構建與實際內螺母和內輪尺寸一致的有限元模型，評估內螺母支撐表面周圍的接觸壓力分布。下圖比較了原始形狀和稍微修改形狀的內螺母支撐表面的von Mises應力分布。修改后的模型旨在根據接觸應力理論實現平滑接觸，將內螺母和內輪的支撐表面修改為凸面和凹面球形接觸。結果發現，通過稍微修改支撐表面的形狀，可以顯著減少內螺母支撐表面周圍的最大應力。類似的效果也可以在外螺母支撐表面上實現。為了減少車輪螺栓力的散差，建議將內螺母支撐表面的曲率半徑加工得比配合的內輪支撐表面稍小。這樣可以實現兩表面之間的平滑接觸。
盡管通過優化設計模型可以顯著減少應力集中和螺栓力的散差，但在實際操作中，擰緊設備的選擇和使用同樣至關重要。為了進一步提高緊固效果并減少操作誤差，我們需要對現有的擰緊設備進行優化。
06
擰緊設備優化
600Nm的擰緊扭矩對于手動扳手來說，夾緊力的散差較大，操作難度較高。使用帶扭矩控制功能的氣動扳手進行擰緊操作時的螺栓夾緊力測量結果顯示：與使用手動扭矩扳手相比，螺栓夾緊力的散差更小。
為了進一步提高緊固效果，一種專門為大型車輛車輪擰緊而設計的設備應運而生：設備配備了四個空氣動力扭矩扳手，可以同時擰緊四個車輪螺栓。這種同步操作確保了每個螺栓受力均勻，減少了夾緊力的散差。設備由弧形臂支撐，可以順時針或逆時針旋轉45度，通過兩次同時擰緊四個螺栓，可以完成一組八個車輪螺栓或八個內螺母的擰緊操作。每個空氣動力扳手都配備了扭矩控制功能，確保每個螺栓都能達到設定擰緊扭矩。這種精確的扭矩控制減少了人工操作的誤差，提高了緊固效果的穩定性。
螺絲君經驗與總結
L.S.ENGINEER Experience and Summary
今天，螺絲君分享的實例通過對雙輪胎結構緊固螺栓斷裂的理論分析和實驗驗證，揭示了車輪脫落的主要原因，并提出了有效的解決方案。具體經驗和總結如下：
兩級擰緊操作對螺栓力的分布有顯著影響：
內輪螺母和外輪螺母的擰緊順序和力學特性決定了螺栓的夾緊力分布。
摩擦系數的變化影響螺栓力的分配：
通過實驗測量螺紋表面和內螺母支撐表面的摩擦系數，發現摩擦系數的變化會顯著影響螺栓力的分配。
調整內螺母和內輪支撐表面的形狀和摩擦系數：
可以減少螺栓夾緊力的散差，提高連接的穩定性和可靠性。
優化擰緊程序：
使用帶扭矩控制功能的氣動扳手和合適的擰緊程序，可以有效提高緊固效果，減少車輪脫落的風險。