汽车车轮接头是由汽车车轮、制动盘、轴承法兰和车轮紧固件等零部件构成的紧固副。
车轮紧固件通常采用车轮螺栓或者车轮螺母，而车轮通常为铝合金材质或钢制。
车轮接头的紧固效果对车轮接头的安全性有重要的影响，通过摩擦系数试验和接头试验等试验分析方式，对比研究铝合金车轮与钢制车轮在摩擦系数、夹紧力、扭矩保持能力等方面的差异。
01 理论基础
采用典型的螺栓作为紧固件、锥面配合作为摩擦接触面的接头配合形式，如图所示。
根据螺栓配合夹紧力理论及车轮接头的几何关系，可以推导出车轮螺栓接头拧紧扭矩和夹紧力的关系为：
配合锥面摩擦系数计算式为：
螺纹配合部分摩擦系数为：
接头总摩擦系数为：
式中：TS为螺栓的拧紧扭矩；Tb为螺栓端面消耗的扭矩；Tth为螺纹部分消耗的扭矩；F为螺栓夹紧力；P为螺纹的螺距；d2为螺栓公称直径；
D0为螺栓头部支撑面外径；Dh为螺栓孔通孔直径；β为车轮螺栓孔锥面夹角；μth为螺纹间的摩擦系数；μb为配合锥面摩擦系数；μtot为车轮接头总摩擦系数；Db为等效摩擦半径。
02 摩擦系数试验分析
2.1 摩擦系数试验设备
为了相对准确地获得螺栓紧固件接头的摩擦系数，通常采用摩擦系数测试方法获得。
摩擦系数试验机（如图所示）可以模拟螺栓连接时的扭矩拧紧和夹紧力的获得过程，并通过式（2）～（4）计算出螺栓配合面、螺纹配合及总的摩擦系数，输出螺栓拧紧过程中扭矩-转角曲线和扭矩-夹紧力曲线。
2.2 摩擦系数试验方法和结果
试验开始，拧紧机构以15r/min的转速拧紧车轮螺栓至150N·m标准扭矩，然后卸载松开，分别采用钢制垫片和铝合金垫片进行试验。
得到螺栓配合锥面的摩擦系数μb、螺纹部分摩擦系数mth等数据，见表1、表2，重点研究车轮螺栓配合锥面的摩擦系数。
2.3 试验结果分析
对比分析表1、表2可以发现：
使用铝制垫片时，螺栓孔配合锥面的摩擦系数最大值为0.19，最小值为0.11，平均值可以达到0.15左右；
使用钢制垫片时，螺栓孔配合锥面的摩擦系数平均值只有0.10左右，最大值为0.11，最小值为0.08，摩擦系数平均值仅为铝合金摩擦系数平均值的66.67%。
03 接头试验分析
3.1 接头试验简介
当摩擦系数试验应用在车轮接头时，由于被夹紧件车轮尺寸较大，车轮螺栓孔的区域是不规则的，设备无法直接装夹车轮螺栓座进行试验，测试需要采用钢制或铝制垫片代替，因此测试出的摩擦系数数据可能与真实情况存在误差。
车轮接头试验是模拟所有车轮接头内零部件配合时，车轮螺栓拧紧过程中扭矩从0逐渐增大到使车轮螺栓孔屈服失效，螺栓受剪切力断裂失效，从而获得车轮接头扭矩能力（即接头所能承受的最大扭矩）的一项试验方法。
车轮接头试验与摩擦系数测试一样，都是模拟螺栓被拧紧的过程，车轮接头试验示意图如下。
3.2 接头试验方法与结果
开始试验，拧紧机构以15r/min的转速拧紧车轮螺栓扭矩，直至螺栓达到极限扭矩时剪切断裂，机器自动卸载、试验结束，由计算机自动记录并保存相关扭矩、夹紧力等试验数据，铝合金车轮和钢制车轮接头试验螺栓夹紧力统计表分别见表3、表4。
3.3 试验数据分析
对比铝合金车轮和钢制车轮的接头试验结果发现，在加载同样规范扭矩条件下，钢制车轮所能获得的初始夹紧力大于铝合金车轮。
当加载120N·m的扭矩时，铝合金车轮的初始夹紧力平均值仅为钢制车轮初始夹紧力平均值的75.54%；
当加载130N·m的扭矩时，铝合金车轮的初始夹紧力平均值仅为钢制车轮的74.62%。
04 结 论
根据上述的分析可知，当车辆分别采用铝合金车轮和钢制车轮，并在车轮接头系统内其他零部件不变的情况下，车轮接头的性能会有以下几点不同：
当车轮接头由铝合金车轮变成钢制车轮时，接头配合面摩擦系数和螺栓接头总的摩擦系数都有大幅度的下降；在同样的拧紧扭矩条件下，钢制车轮组成的车轮接头的夹紧力大于铝合金车轮；当采用铝合金车轮时，为获得与钢制车轮相同的初始夹紧力，车轮螺栓的拧紧扭矩可以适当降低。
今天的话题，就分享到这里，不当之处，欢迎批评指正；若您有任何疑问或建议，或需要进群交流的小伙伴，可关注螺丝君微信公众号：GAF螺丝君（GAF-luosijun）