淺談螺栓強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車設(shè)計(jì)的影響

王春燕，李峰，孫喜梅

（鄭州科技學(xué)院車輛與交通工程系，河南 鄭州 450064）

淺談螺栓強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車設(shè)計(jì)的影響

王春燕，李峰，孫喜梅

（鄭州科技學(xué)院車輛與交通工程系，河南 鄭州 450064）

螺栓作為一種聯(lián)接方式，廣泛的用于汽車關(guān)鍵部位的結(jié)合。汽車關(guān)鍵部位螺栓往往要承受高強(qiáng)度的拉伸力與剪切力，為此螺栓需要一定的預(yù)緊力。預(yù)緊力所帶來的螺栓內(nèi)部應(yīng)力，伴隨汽車的使用過程，往往會(huì)造成螺栓發(fā)生疲勞斷裂的情況。目前對(duì)螺栓的斷裂研究大多從材料入手，從其自身的設(shè)計(jì)計(jì)算方面考慮的相對(duì)較少。德國(guó)VDI2230標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于螺栓應(yīng)力的校核，對(duì)比國(guó)內(nèi)通用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)螺栓應(yīng)力校核，更加貼近實(shí)際。VDI2230標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺栓使用過程中的溫度、螺紋摩擦系數(shù)及螺栓尺寸關(guān)注較多。

汽車螺栓；強(qiáng)度校核；VDI2230

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.031

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-97-02

引言

我國(guó)加入國(guó)際世貿(mào)組織后，經(jīng)濟(jì)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。人民生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)成為了生活必備品，促使我國(guó)汽車制造業(yè)成為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支柱產(chǎn)業(yè)，在市場(chǎng)運(yùn)行中起到了越來越重要的作用。現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品普遍采用流水線作業(yè)，并盡可能解放勞動(dòng)力，那么就促使工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)更加趨向于連接件，這樣可以便于更換維修，以此降低制造成本，提高產(chǎn)品零件互換性，其中應(yīng)用最為廣泛的就是螺栓聯(lián)接。螺栓不但可以獲得很大的聯(lián)接力，又便于拆裝，可以通過標(biāo)準(zhǔn)化，大批量生產(chǎn)，極大的降低了成本，增加了互換性。螺栓聯(lián)接作為汽車裝配上的重要應(yīng)用，據(jù)相關(guān)資料介紹，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)不同，每輛汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的螺紋緊固件通常在1000-2000件左右，品種更是高達(dá)100以上，規(guī)格也是從M4-M32不等，而其中大約100個(gè)是與車輛的安全性能有密切聯(lián)系的。

1、汽車用螺栓聯(lián)接現(xiàn)狀

螺栓作為緊固件，其在機(jī)車高鐵，動(dòng)車地鐵，飛機(jī)貨車上的使用環(huán)境大多是高強(qiáng)度高應(yīng)力，在汽車上主要部件的使用環(huán)境為低應(yīng)力高周期，但是仍然存在著極大的隱患。從安全角度來說，螺栓所聯(lián)接的部件都是汽車的重要部件；從經(jīng)濟(jì)角度來說，所聯(lián)接的部件都是很昂貴的。所以，螺栓失效時(shí)，損壞的不僅僅是它們本身，而是整個(gè)產(chǎn)品。

對(duì)于企業(yè)來說，螺栓斷裂需要更換新螺栓，成本并不高，是通用的方式。但是，按照目前汽車企業(yè)流水線的作業(yè)方式來說，螺栓都是在分裝線上松裝的，到汽車完成后做的最后的預(yù)裝，此時(shí)加裝預(yù)緊力，螺栓會(huì)發(fā)生預(yù)緊斷裂的情況。為了更換螺栓，需要拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)和前橋，相對(duì)成本，工作量的增大是一種更大的耗損。[1]

某款寶馬發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸進(jìn)氣調(diào)節(jié)裝置發(fā)生故障（如圖1所示），引發(fā)車輛在行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火，再次啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)無法著車。通過一系列的檢查，最終進(jìn)行故障排除時(shí)，拆卸油底殼找到斷掉的幾個(gè)螺栓，原來是鏈輪固定螺栓強(qiáng)度不足，造成的疲勞斷裂。[2]

2、基于《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算[4]

現(xiàn)行的汽車行業(yè)螺栓強(qiáng)度分析基本都是基于《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的理論計(jì)算，由于安全系數(shù)要求有較高的強(qiáng)度余量，所選螺栓強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所需強(qiáng)度。進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，首先是根據(jù)聯(lián)接的類型、裝配情況、載荷狀態(tài)等條件，確定螺栓的受力；然后按相應(yīng)的強(qiáng)度條件計(jì)算螺栓危險(xiǎn)截面的直徑或校核其強(qiáng)度。

緊螺栓連接裝配時(shí)，其螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件為：

3、基于德國(guó)VDI2230標(biāo)準(zhǔn)的螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算[5]

“VDI2230-2003螺栓強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)”在德國(guó)及其它國(guó)家已獲得廣泛應(yīng)用，適用于高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度校核，使用該標(biāo)準(zhǔn)校核最大載荷下的工作應(yīng)力。

式中，σZmax為最大拉伸應(yīng)力，τmax為最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，kτ為減少系數(shù)，推薦值為0.5；FMzul為允許安裝預(yù)載荷；P為螺距，d2為螺栓中徑；μGmin為螺紋摩擦系數(shù)；d0為相應(yīng)的螺栓最小橫截面A0和主慣性矩的直徑，在帶有無螺紋直徑為di的螺栓中，di小于等于應(yīng)力橫截面直徑ds=（d2+d3）/2，為最不牢固的橫截面直徑。

VDI2230標(biāo)準(zhǔn)在用于校核螺栓強(qiáng)度方面，更加注重螺栓本身的各段尺寸，并將預(yù)緊力引起的螺栓扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以及螺紋摩擦系數(shù)精細(xì)的考慮在內(nèi)。相對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)粗略放大的相對(duì)剛度系數(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)有效的降低了強(qiáng)度浪費(fèi)。

4、結(jié)論

螺栓在汽車上的運(yùn)用是普遍的，但是對(duì)螺栓的重視程度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，近幾年頻繁發(fā)生由于螺栓斷裂引發(fā)的事故，可以看出螺栓身材雖小但位置關(guān)鍵。各大公司，特別是國(guó)際一線品牌對(duì)螺栓的選用設(shè)計(jì)也是嚴(yán)格的，但是同樣發(fā)生由于螺栓強(qiáng)度不足發(fā)生事故，應(yīng)該引起我們對(duì)設(shè)計(jì)過程的關(guān)注。德國(guó)VDI2230標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的計(jì)算方式，更注重強(qiáng)度的有效利用，計(jì)算中考慮了溫度、截面變化和摩擦系數(shù)等細(xì)節(jié)方面，為螺栓的強(qiáng)度校核提供了更加貼近事實(shí)的支持。

[1] 趙欣,李文波,鄧?yán)?鄭萬民,王小平. 某型汽車螺栓力學(xué)強(qiáng)度的有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2009,01:73-74+87.

[2] 舟楊. 2010款寶馬X5發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸進(jìn)氣調(diào)節(jié)裝置故障[J]. 汽車維修技師.2012,12:72-73.

[3] 鄭大周,王兵等. VDI2230在風(fēng)機(jī)螺栓分析中的應(yīng)用[J]. 東方汽輪機(jī).2013,02:26-31.

[4] 成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社. 2002.

[5] Verein Deutscher Ingenieure: VDI2230( 2003).

The influence of bolt intensity standards on car design

Wang Chunyan, Li Feng, Sun Ximei
（Zhengzhou Institute of Science and Technology, Henan Zhengzhou 450064）

Bolt as a way of connecting, widely used in automobile combination of key parts. Automobile key parts bolts tend to bear the high strength tensile force and shearing force, therefore, the bolt needs a certain preload. The internal stress caused by bolt preload, often cause the bolt fatigue fracture along with the process of automobile use. At present most studies of the bolt fracture from the perspective of the material, consider from automobile design and calculation relatively small. Germany VDI2230 standard for checking the bolt stress, compared to mechanical design manual bolt stress, more close to reality. The temperature, screw friction coefficient and bolt size is more attention in VDI2230 standard.

Automobile bolt; Strength check; VDI2230

U463.9

A

1671-7988(2016)10-97-02

王春燕，助教，（1989.4-），女，就職于鄭州科技學(xué)院車輛與交通工程系，研究興趣為車輛CAD/CAE及其關(guān)鍵技術(shù)研究，當(dāng)前研究方向汽車關(guān)鍵部件仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化。