淺談螺栓強度校核標準對汽車設計的影響

王春燕，李峰，孫喜梅

（鄭州科技學院車輛與交通工程系，河南 鄭州 450064）

淺談螺栓強度校核標準對汽車設計的影響

王春燕，李峰，孫喜梅

（鄭州科技學院車輛與交通工程系，河南 鄭州 450064）

螺栓作為一種聯接方式，廣泛的用于汽車關鍵部位的結合。汽車關鍵部位螺栓往往要承受高強度的拉伸力與剪切力，為此螺栓需要一定的預緊力。預緊力所帶來的螺栓內部應力，伴隨汽車的使用過程，往往會造成螺栓發生疲勞斷裂的情況。目前對螺栓的斷裂研究大多從材料入手，從其自身的設計計算方面考慮的相對較少。德國VDI2230標準對于螺栓應力的校核，對比國內通用機械設計手冊螺栓應力校核，更加貼近實際。VDI2230標準對螺栓使用過程中的溫度、螺紋摩擦系數及螺栓尺寸關注較多。

汽車螺栓；強度校核；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

我國加入國際世貿組織后，經濟有了長足的發展。人民生活水平的不斷提高，汽車已經成為了生活必備品，促使我國汽車制造業成為了國民經濟中的支柱產業，在市場運行中起到了越來越重要的作用。現代機械產品普遍采用流水線作業，并盡可能解放勞動力，那么就促使工程師在產品設計時更加趨向于連接件，這樣可以便于更換維修，以此降低制造成本，提高產品零件互換性，其中應用最為廣泛的就是螺栓聯接。螺栓不但可以獲得很大的聯接力，又便于拆裝，可以通過標準化，大批量生產，極大的降低了成本，增加了互換性。螺栓聯接作為汽車裝配上的重要應用，據相關資料介紹，根據發動機產品和結構不同，每輛汽車發動機上的螺紋緊固件通常在1000-2000件左右，品種更是高達100以上，規格也是從M4-M32不等，而其中大約100個是與車輛的安全性能有密切聯系的。

1、汽車用螺栓聯接現狀

螺栓作為緊固件，其在機車高鐵，動車地鐵，飛機貨車上的使用環境大多是高強度高應力，在汽車上主要部件的使用環境為低應力高周期，但是仍然存在著極大的隱患。從安全角度來說，螺栓所聯接的部件都是汽車的重要部件；從經濟角度來說，所聯接的部件都是很昂貴的。所以，螺栓失效時，損壞的不僅僅是它們本身，而是整個產品。

對于企業來說，螺栓斷裂需要更換新螺栓，成本并不高，是通用的方式。但是，按照目前汽車企業流水線的作業方式來說，螺栓都是在分裝線上松裝的，到汽車完成后做的最后的預裝，此時加裝預緊力，螺栓會發生預緊斷裂的情況。為了更換螺栓，需要拆卸發動機和前橋，相對成本，工作量的增大是一種更大的耗損。[1]

某款寶馬發動機凸輪軸進氣調節裝置發生故障（如圖1所示），引發車輛在行駛過程中發動機突然熄火，再次啟動時發動機無法著車。通過一系列的檢查，最終進行故障排除時，拆卸油底殼找到斷掉的幾個螺栓，原來是鏈輪固定螺栓強度不足，造成的疲勞斷裂。[2]

2、基于《機械設計手冊》的螺栓聯接的強度計算[4]

現行的汽車行業螺栓強度分析基本都是基于《機械設計手冊》的理論計算，由于安全系數要求有較高的強度余量，所選螺栓強度會遠遠高于所需強度。進行強度計算時，首先是根據聯接的類型、裝配情況、載荷狀態等條件，確定螺栓的受力；然后按相應的強度條件計算螺栓危險截面的直徑或校核其強度。

緊螺栓連接裝配時，其螺栓危險截面的拉伸強度條件為：

3、基于德國VDI2230標準的螺栓聯接的強度計算[5]

“VDI2230-2003螺栓強度校核標準”在德國及其它國家已獲得廣泛應用，適用于高強度螺栓的強度校核，使用該標準校核最大載荷下的工作應力。

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

VDI2230標準在用于校核螺栓強度方面，更加注重螺栓本身的各段尺寸，并將預緊力引起的螺栓扭轉應力，以及螺紋摩擦系數精細的考慮在內。相對于機械設計手冊粗略放大的相對剛度系數，該標準有效的降低了強度浪費。

4、結論

螺栓在汽車上的運用是普遍的，但是對螺栓的重視程度卻遠遠不夠，近幾年頻繁發生由于螺栓斷裂引發的事故，可以看出螺栓身材雖小但位置關鍵。各大公司，特別是國際一線品牌對螺栓的選用設計也是嚴格的，但是同樣發生由于螺栓強度不足發生事故，應該引起我們對設計過程的關注。德國VDI2230標準相對于機械設計手冊的計算方式，更注重強度的有效利用，計算中考慮了溫度、截面變化和摩擦系數等細節方面，為螺栓的強度校核提供了更加貼近事實的支持。

[1] 趙欣,李文波,鄧磊,鄭萬民,王小平. 某型汽車螺栓力學強度的有限元分析[J]. 機械設計與研究,2009,01:73-74+87.

[2] 舟楊. 2010款寶馬X5發動機凸輪軸進氣調節裝置故障[J]. 汽車維修技師.2012,12:72-73.

[3] 鄭大周,王兵等. VDI2230在風機螺栓分析中的應用[J]. 東方汽輪機.2013,02:26-31.

[4] 成大先主編.機械設計手冊[M]. 化學工業出版社. 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，就職于鄭州科技學院車輛與交通工程系，研究興趣為車輛CAD/CAE及其關鍵技術研究，當前研究方向汽車關鍵部件仿真設計與優化。