浅谈螺栓强度校核标准对汽车设计的影响

王春燕，李峰，孙喜梅

（郑州科技学院车辆与交通工程系，河南 郑州 450064）

浅谈螺栓强度校核标准对汽车设计的影响

王春燕，李峰，孙喜梅

（郑州科技学院车辆与交通工程系，河南 郑州 450064）

螺栓作为一种联接方式，广泛的用于汽车关键部位的结合。汽车关键部位螺栓往往要承受高强度的拉伸力与剪切力，为此螺栓需要一定的预紧力。预紧力所带来的螺栓内部应力，伴随汽车的使用过程，往往会造成螺栓发生疲劳断裂的情况。目前对螺栓的断裂研究大多从材料入手，从其自身的设计计算方面考虑的相对较少。德国VDI2230标准对于螺栓应力的校核，对比国内通用机械设计手册螺栓应力校核，更加贴近实际。VDI2230标准对螺栓使用过程中的温度、螺纹摩擦系数及螺栓尺寸关注较多。

汽车螺栓；强度校核；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

我国加入国际世贸组织后，经济有了长足的发展。人民生活水平的不断提高，汽车已经成为了生活必备品，促使我国汽车制造业成为了国民经济中的支柱产业，在市场运行中起到了越来越重要的作用。现代机械产品普遍采用流水线作业，并尽可能解放劳动力，那么就促使工程师在产品设计时更加趋向于连接件，这样可以便于更换维修，以此降低制造成本，提高产品零件互换性，其中应用最为广泛的就是螺栓联接。螺栓不但可以获得很大的联接力，又便于拆装，可以通过标准化，大批量生产，极大的降低了成本，增加了互换性。螺栓联接作为汽车装配上的重要应用，据相关资料介绍，根据发动机产品和结构不同，每辆汽车发动机上的螺纹紧固件通常在1000-2000件左右，品种更是高达100以上，规格也是从M4-M32不等，而其中大约100个是与车辆的安全性能有密切联系的。

1、汽车用螺栓联接现状

螺栓作为紧固件，其在机车高铁，动车地铁，飞机货车上的使用环境大多是高强度高应力，在汽车上主要部件的使用环境为低应力高周期，但是仍然存在着极大的隐患。从安全角度来说，螺栓所联接的部件都是汽车的重要部件；从经济角度来说，所联接的部件都是很昂贵的。所以，螺栓失效时，损坏的不仅仅是它们本身，而是整个产品。

对于企业来说，螺栓断裂需要更换新螺栓，成本并不高，是通用的方式。但是，按照目前汽车企业流水线的作业方式来说，螺栓都是在分装线上松装的，到汽车完成后做的最后的预装，此时加装预紧力，螺栓会发生预紧断裂的情况。为了更换螺栓，需要拆卸发动机和前桥，相对成本，工作量的增大是一种更大的耗损。[1]

某款宝马发动机凸轮轴进气调节装置发生故障（如图1所示），引发车辆在行驶过程中发动机突然熄火，再次启动时发动机无法着车。通过一系列的检查，最终进行故障排除时，拆卸油底壳找到断掉的几个螺栓，原来是链轮固定螺栓强度不足，造成的疲劳断裂。[2]

2、基于《机械设计手册》的螺栓联接的强度计算[4]

现行的汽车行业螺栓强度分析基本都是基于《机械设计手册》的理论计算，由于安全系数要求有较高的强度余量，所选螺栓强度会远远高于所需强度。进行强度计算时，首先是根据联接的类型、装配情况、载荷状态等条件，确定螺栓的受力；然后按相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径或校核其强度。

紧螺栓连接装配时，其螺栓危险截面的拉伸强度条件为：

3、基于德国VDI2230标准的螺栓联接的强度计算[5]

“VDI2230-2003螺栓强度校核标准”在德国及其它国家已获得广泛应用，适用于高强度螺栓的强度校核，使用该标准校核最大载荷下的工作应力。

式中，σZmax为最大拉伸应力，τmax为最大扭转应力，kτ为减少系数，推荐值为0.5；FMzul为允许安装预载荷；P为螺距，d2为螺栓中径；µGmin为螺纹摩擦系数；d0为相应的螺栓最小横截面A0和主惯性矩的直径，在带有无螺纹直径为di的螺栓中，di小于等于应力横截面直径ds=（d2+d3）/2，为最不牢固的横截面直径。

VDI2230标准在用于校核螺栓强度方面，更加注重螺栓本身的各段尺寸，并将预紧力引起的螺栓扭转应力，以及螺纹摩擦系数精细的考虑在内。相对于机械设计手册粗略放大的相对刚度系数，该标准有效的降低了强度浪费。

4、结论

螺栓在汽车上的运用是普遍的，但是对螺栓的重视程度却远远不够，近几年频繁发生由于螺栓断裂引发的事故，可以看出螺栓身材虽小但位置关键。各大公司，特别是国际一线品牌对螺栓的选用设计也是严格的，但是同样发生由于螺栓强度不足发生事故，应该引起我们对设计过程的关注。德国VDI2230标准相对于机械设计手册的计算方式，更注重强度的有效利用，计算中考虑了温度、截面变化和摩擦系数等细节方面，为螺栓的强度校核提供了更加贴近事实的支持。

[1] 赵欣,李文波,邓磊,郑万民,王小平. 某型汽车螺栓力学强度的有限元分析[J]. 机械设计与研究,2009,01:73-74+87.

[2] 舟杨. 2010款宝马X5发动机凸轮轴进气调节装置故障[J]. 汽车维修技师.2012,12:72-73.

[3] 郑大周,王兵等. VDI2230在风机螺栓分析中的应用[J]. 东方汽轮机.2013,02:26-31.

[4] 成大先主编.机械设计手册[M]. 化学工业出版社. 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，就职于郑州科技学院车辆与交通工程系，研究兴趣为车辆CAD/CAE及其关键技术研究，当前研究方向汽车关键部件仿真设计与优化。