螺栓設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) (2) (1)

1、 奇 瑞 汽 車 股 份 有 限 公 司標(biāo)準(zhǔn)名稱螺栓設(shè)計與擰緊方案確定編號更改記錄更改記錄單編號版本頁碼更改內(nèi)容更改日期責(zé)任人 主題詞：目錄：1、適用范圍2、目的3、高強度螺栓的定義和級別4、高強度螺栓的受力分析5、高強度螺栓預(yù)緊載荷計算6、三種預(yù)緊工藝的原理7、高強度螺栓擰緊方案確定8、如何確定螺栓是否屈服9、螺栓的使用次數(shù)確定10、如何測定摩擦系數(shù)11、如何選擇供應(yīng)商12、參考文獻1、適用范圍 該標(biāo)準(zhǔn)適用于發(fā)動機高強度螺栓的選擇、擰緊方案的確定、以及擰緊方案的試驗驗證原理。2、目的該標(biāo)準(zhǔn)主要講解如何選擇高強度螺栓，以及選定螺栓后如何確定擰緊方案。確保螺栓預(yù)緊后，產(chǎn)生的軸力滿足設(shè)計要求。利用

2、現(xiàn)有試驗條件驗證擰緊方案；同時對于供應(yīng)商的選擇方法給出建議；并講解如何測量摩擦系數(shù)。3、高強度螺栓的定義和級別螺栓的性能等級含義是國際的通用標(biāo)準(zhǔn)。螺栓的性能等級標(biāo)號由兩部分?jǐn)?shù)字組成，分別表示螺栓材料的抗拉強度和屈服強度比值。一般用“X*Y”表示強度等級。其中X*100表示螺栓材料的抗拉強度值，（Y/10）*X*100表示螺栓材料的屈服強度值。連接用的螺栓性能等級分別為：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等，其中8.8級以上的螺栓通稱為高強度螺栓。 表一 高強度螺栓性能參數(shù)（參見ISO898-1、GB3098.1-2000）級別8.89.810.9

3、12.9抗拉強度上限12001350下限80090010401220屈服強度上限1070/11001230下限6407209401100 抗拉強度和屈服強度在DIN EN 20989-1 、ISO898-1以及GB3098.1規(guī)定了最小值，未定義最大值。我司各高強度螺栓對于抗拉強度和屈服強度上限值的定義五花八門。大眾公司根據(jù)經(jīng)驗將上限值定義為在下限值的基礎(chǔ)上增加150N.mm。對于主機廠來說，要求供應(yīng)商抗拉強度和屈服強度上下限范圍越小越好；但相應(yīng)的成本也會增加。建議我司高強度螺栓性能參數(shù)參考大眾的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。4、高強度螺栓的受力分析發(fā)動機使用的高強度螺栓按照受力情況的不同可以分為兩類（不考慮非正

4、常情況的沖擊載荷）：一：螺栓只受靜載荷力（即：只受預(yù)緊載荷）。例如：飛輪螺栓、扭轉(zhuǎn)減震器螺栓等。二：在發(fā)動機運行時螺栓除了受靜載荷力（即：受預(yù)緊載荷）；同時還受動載荷（即：受靜載荷+動載荷）。例如：連桿螺栓、缸蓋螺栓、主軸蓋螺栓等。兩類螺栓的受力簡圖（以連桿螺栓和扭轉(zhuǎn)減震器螺栓為例子）：圖一 扭轉(zhuǎn)減震器螺栓受力圖示（靜載） 圖二 連桿螺栓受力圖示（靜載+動載）圖一:符號解釋P：靜載荷（預(yù)緊載荷）；P0：最小夾緊載荷（分離力）；1：靜載荷（預(yù)緊載荷）導(dǎo)致螺栓伸長量； 2：連接件1的壓縮量；3：連接件2的壓縮量；4：連接件3的壓縮量；oa:螺栓的剛度（C1）；ab:連接件1的剛度（C2）；bc:連

5、接件2剛度C3; cd:連接件3剛度C4。 圖二:符號解釋P1：軸瓦的張力；P：靜載荷（預(yù)緊載荷）；Pj：動載荷； P0：最小夾緊載荷（分離力）；Px= C1/(C1+C2)*Pj 1：克服軸瓦張力螺栓伸長量；1+2：靜載荷（預(yù)緊載荷）導(dǎo)致螺栓伸長量；4：連桿壓縮量； 3：螺栓克服動載繼續(xù)伸長量/連桿卸載恢復(fù)伸長量；oa:螺栓的剛度（C1）；ab:連桿的剛度（C2）；bc:連桿瓦剛度C3。5、高強度螺栓預(yù)緊載荷計算 高強度螺栓預(yù)緊載荷和其使用的受力情況有很大關(guān)系。AVL對F4J16發(fā)動機使用的高強度螺栓進行了計算和校核；而且給出計算結(jié)果的判定標(biāo)準(zhǔn)。按照F4J16連桿螺栓檢核方法對單個連桿螺栓在

6、工作時所需要最小預(yù)緊載荷的計算方法整理成計算表格。見表格連桿螺栓校核。 連桿螺栓校核表格在最好計算和判斷時可以按照一下兩種方法：一：直接按照AVL的最小安全系數(shù)計算出單個連桿螺栓的最小預(yù)計載荷。二：根據(jù)經(jīng)驗先選擇某個等級的螺栓，輸入這個等級的單個螺栓在最小的屈服極限下能提供多大的載荷值，判斷安全系數(shù)是否符合AVL標(biāo)準(zhǔn)。其余高強度螺栓可以參照AVL計算螺栓的方法制做成類似于連桿螺栓這樣的表格或者計算規(guī)范。6、三種預(yù)緊工藝的原理螺栓聯(lián)接是用螺紋緊固件把兩個或更多的被聯(lián)接件加緊在一起，以便抵抗各種外載荷，而被聯(lián)接件不分離，不滑移，或者結(jié)合面不泄漏。在施加外載荷之前，需要擰緊螺紋緊固件，以夾緊被聯(lián)接件

7、。稱擰緊螺紋緊固件為預(yù)緊，稱該力為預(yù)緊力。實際經(jīng)驗表明預(yù)緊所施加的扭矩僅僅5%10%轉(zhuǎn)化有用的預(yù)緊力。圖三：預(yù)計施加的扭矩分解圖 經(jīng)驗參數(shù)的實際理論計算見表格螺栓擰緊力矩分解，彈性范圍螺栓軸力與力矩表格。表格的計算意義：1.明確擰緊力矩分配關(guān)系。2.解決部分由于擰緊產(chǎn)生的密封的密封壓力問題（噴嘴密封面壓力多少的問題）。目前使用的螺栓預(yù)緊工藝由：1）力矩擰緊控制法，2）扭矩-轉(zhuǎn)角控制法，3）屈服點控制法，4）落座點-轉(zhuǎn)角控制法，5）其他方法。本標(biāo)準(zhǔn)只介紹前三種的擰緊工藝的原理。1） 力矩擰緊控制法：適用范圍：彈性擰緊、非關(guān)鍵部位螺栓連接 圖四：預(yù)計力矩和預(yù)緊力關(guān)系評價擰緊工藝的參數(shù)：計算見表格力

8、矩擰緊工藝裝配表格 裝配系數(shù)A =FMmax/FMmin=1.64 （經(jīng)驗系數(shù) 1.4-1.8） (M8*1 /10.9 為例) 預(yù)緊力散差FM= FMmax- FMmin=11.64kN (M8*1 /10.9 為例)力矩擰緊工藝最終軸力的大小是由于螺栓摩擦系數(shù)導(dǎo)致。所以要嚴(yán)格控制連接件摩擦副的摩擦系數(shù)，以保證擰緊最終軸力的散差。 力矩擰緊工藝優(yōu)點： 理論上螺栓可以多次使用 操作簡單，成本低 扭矩容易測量和控制 扭矩事后容易復(fù)檢 力矩擰緊工藝缺點： 受摩擦系數(shù)影響大 螺栓材料利用率低2） 扭矩-轉(zhuǎn)角控制法適用范圍：關(guān)鍵零部件的預(yù)緊，汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工藝之一。圖五：緊固轉(zhuǎn)角和預(yù)緊力矩關(guān)系評價擰緊工

9、藝的參數(shù)：計算見表格力矩擰緊工藝裝配表格 T1 +/- T +/- T 轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)角公差 +/-5° 軸力 +/- 2.7kN (M8*1 /10.9 為例)2 +/- +/- 轉(zhuǎn)角公差 +/-5° 軸力 +/- 2.79kN (M8*1 /10.9 為例) 裝配系數(shù) A =FMmax/ FMmin= 1.26 （經(jīng)驗系數(shù) 1.2-1.4） (M8*1 /10.9 為例) 預(yù)緊力散差FM= FMmax- FMmin=11kN (M8*1 /10.9 為例) 當(dāng)T=15時， =6°；當(dāng)T=20時，=8°。力矩+轉(zhuǎn)角的最終軸力的大小是由(1）螺栓摩擦系數(shù)導(dǎo)致(

10、第一步擰緊)；（2）擰緊設(shè)備的精度公差。所也要控制連接件摩擦副的摩擦系數(shù)，同時控制螺栓的擰緊精度，以保證擰緊最終軸力的散差。（摩擦系數(shù)解決方案：歐洲大眾：摩擦系數(shù)穩(wěn)定劑，日本采用落點法擰緊）力矩+轉(zhuǎn)角擰緊工藝優(yōu)點：能較準(zhǔn)確的控制預(yù)緊力 螺栓材料被完全利用 連接件的抗疲勞性能好 力矩+轉(zhuǎn)角擰緊工藝缺點： 操作較復(fù)雜成本高 對擰緊工具要求高 螺栓重復(fù)使用受限制 不能對擰緊結(jié)果進行復(fù)檢3） 屈服點控制法適用范圍：理論上是完美擰緊，重要關(guān)鍵零部件的緊固。圖六：緊固轉(zhuǎn)角和預(yù)緊力矩關(guān)系屈服點擰緊發(fā)的目標(biāo)值為控制扭矩斜率（dT/d）,并在最大扭矩斜率（dT/d，max）的1/21/3之間選擇。由于緊固時，應(yīng)

11、同時測量緊固扭矩以及緊固轉(zhuǎn)角，特別是需要對斜率進行對比計算。所以應(yīng)使用帶有電器計量器、微型電腦等計算裝置的工具(目前371裝配線有此監(jiān)控設(shè)備)。屈服點擰緊的裝配系數(shù)的經(jīng)驗值為1.21.4。屈服點擰緊工藝優(yōu)點： 理論上能準(zhǔn)確控制預(yù)緊力 螺栓材料被完全利用 連接件的抗疲勞性能好 理論上螺栓重復(fù)使用不受限制 屈服點擰緊工藝缺點： 操作較復(fù)雜成本高 需要昂貴的測試平臺不能對擰緊結(jié)果進行復(fù)檢其他擰緊方法：落座點+轉(zhuǎn)角法、伸長測量法、手動擰緊法等。其中較常用的為以上三種測量方法。在這三種方法里扭矩+轉(zhuǎn)角法，對軸力的控制精度相對較高，而且相對交易操作。在汽車工業(yè)中應(yīng)用廣泛。本標(biāo)準(zhǔn)按照扭矩+轉(zhuǎn)角控制高強度螺栓

12、的軸力。7、高強度螺栓預(yù)緊方案確定 在高強度螺栓預(yù)緊載荷計算一節(jié)對于螺栓的最小軸力進行了計算；此節(jié)給高強度螺栓的選擇以及擰緊擰緊方法選擇提供了邊界條件（最小軸力）。本節(jié)主要以AVL高強度螺栓計算報告例子講解如何選擇高強度螺栓已經(jīng)如何確定力矩+轉(zhuǎn)角。本節(jié)的做螺栓選擇和預(yù)緊方案確定時直接按照講解操作即可。如需了解其中原理可以參看原理公式。1）螺栓直徑、強度選擇（表格第一部分） 在表格高強度螺栓計算報告第一部分綠色區(qū)域輸入以下參數(shù)：螺栓直徑、螺距、強度等級（屈服強度）、摩擦系數(shù)。 第一部分深黃色區(qū)域即輸出屈服時螺栓可以提供多大的預(yù)緊力。將此預(yù)緊力下限值與第五節(jié)螺栓提供的最小軸力的邊界對比，看是否滿足

13、要求。如不滿足要求合理調(diào)整以上參數(shù)。表格屈服預(yù)緊力的計算原理公式見: 其中：G:螺紋摩擦系數(shù) 根據(jù)供應(yīng)商的能力合理給供應(yīng)商提出要求：螺紋牙型角，細牙螺紋 60° P、d2、d3 根據(jù)螺紋名義直徑查表或者計算。 Ao(表格里的As)螺栓有效截面積。 ： 螺紋升程角，：螺紋牙型角余角2）連接件的剛度、螺栓法蘭面內(nèi)徑、螺栓法蘭面外徑、螺栓長度、螺栓未嚙合的長度（表格第二部分）連接件的剛度（輸入值）按照表格連接件剛度計算手算連接件的剛度。多個連接件的剛度按照串聯(lián)計算剛度。串聯(lián)公式見：C=（E*A）/L 1/C=1/C1+1/C2+1/C3 C 連接件的剛度 E連接件的彈性模量 A連接件的橫截

14、面積 L 連接件長度 螺栓的剛度按照連接件剛度計算計算 部分連接件的剛度在手算時可以簡化為圓柱體，精確計算需要CAE分析。 螺栓法蘭面內(nèi)徑、螺栓法蘭面外徑、（輸入值） 輸入螺栓法蘭面內(nèi)/外徑的同時在表格第一部分黃色區(qū)域輸出連接件支撐面的應(yīng)力值。需要保證連接件支撐面最大應(yīng)力值小于連接件的屈服應(yīng)力（小于多少是否有量化的100%）。計算原理公式見： F /As = 0 F：螺栓屈服預(yù)緊時提供的最大軸力， As：支撐面的有效接觸面積 0：連接件屈服應(yīng)力螺栓長度、螺栓未嚙合的長度（輸入值）螺栓長度與螺紋未嚙合的長度對第三部分淺黃色區(qū)域活塞塑性 伸長量的百分比有很大關(guān)系。 3）第一步預(yù)緊力矩 T、第二步預(yù)

15、緊轉(zhuǎn)角（表格第三部分） 第一步預(yù)緊力矩T、第二步預(yù)緊轉(zhuǎn)角（輸入值）AVL在第三部分深色區(qū)域按照AVL的標(biāo)準(zhǔn)給出建議 值。 第一步預(yù)緊力矩T， AVL標(biāo)準(zhǔn)為屈服軸力（力矩）的30%50%，浩明的標(biāo)準(zhǔn)為20%45%，由第六節(jié)扭矩+轉(zhuǎn)角控制工藝講解可知：第一步預(yù)緊力矩越大，在摩擦系數(shù)散差的影響下造成的最終預(yù)緊軸力散差越大。建議我司按照浩明標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行20%45%。如有動態(tài)扭矩轉(zhuǎn)角曲線簇綜合選取越接近轉(zhuǎn)折點扭矩，最終預(yù)緊軸力的散差就越小。由于第一步預(yù)緊力矩的公差值 +/- T對于最終預(yù)緊力矩產(chǎn)生很大散差，綜合與工藝討論確定越小越好。 第二步預(yù)緊轉(zhuǎn)角，在第一步基礎(chǔ)上輸入轉(zhuǎn)角值+/-，使螺栓的塑性伸長百分比與

16、標(biāo)準(zhǔn)值接近。 根據(jù)輸入的預(yù)緊方案（表格的第三部分第一步 +/- TT，第二步+/-），預(yù)緊螺栓的強度（表格 第一部分），未嚙合的螺栓長度（表格第二部分），輸出螺栓塑性變形比例。AVL的塑性伸長百分比的標(biāo)準(zhǔn) 為0.2%0.6%（長螺栓）。Kamax的標(biāo)準(zhǔn)為0.2%0.8%（長螺栓）。建議我司按照對于預(yù)緊兩次的螺栓參 考AVL標(biāo)準(zhǔn)(0.2%0.6)（具體原因在下節(jié)螺栓預(yù)計次數(shù)一節(jié)講解）。對于預(yù)緊一次的螺栓建議參考Kmax 標(biāo)準(zhǔn)（0.20.8）。 具體原理公式：（工程計算上認(rèn)為彈性極限與0.2%屈服點兩點重合）由以下公式計算出在不同摩擦系數(shù)，不同屈服強度下的螺栓提供的軸力范圍。由以下公式可以得出螺栓

17、在彈性極限（0.2%屈服點）時的預(yù)緊力矩。由以下公式可以計算出第一步擰緊螺栓產(chǎn)生變形量。 T/Ft=T0/F0 L1=Ft/Ctotal (Ctotal=1/(1/C1+1/C2) 由以下公式可以計算出第二步擰緊螺栓產(chǎn)生變形量。 L2=/360°*P 由以下公式計算塑性變形量。 L3=F0.2/Ctotal L=L1+L2-L3由以下公式計算塑性伸長率。 X%=L/L L（螺栓未嚙合的長度）另在第二步預(yù)緊轉(zhuǎn)角時對于短螺栓的塑性伸長率AVL的標(biāo)準(zhǔn)為2%8、 如何確定螺栓是否屈服 由于螺栓在預(yù)緊時不僅受到軸向的拉力同時受到剪切力。其材料變形曲線沒有明顯的屈服點。IS016047中確定螺栓

18、的屈服標(biāo)準(zhǔn)為dT/d=1/2（dT/d ，max)。按照此標(biāo)準(zhǔn)判斷需要專用的擰緊測試設(shè)備。工程上另外一種確定屈服的方法是0.2（即塑性變形量為可用于伸長量的2%）。按照此標(biāo)準(zhǔn)需要在實際中測試螺栓的塑性伸長量，具體測量方法參見高強度螺栓擰緊試驗方法。9、 螺栓的使用次數(shù)確定由本標(biāo)準(zhǔn)第六節(jié)可知，力矩預(yù)緊法可以無限次預(yù)緊（因為始終位于彈性區(qū)域）；屈服點控制法可以無限次預(yù)緊（理論上每次都能準(zhǔn)確控制位于屈服區(qū)域）；力矩+轉(zhuǎn)角預(yù)緊法是否能從理論上計算出預(yù)緊使用次數(shù)？下文將展開討論。 1）對于棒材試驗拉伸曲線討論 圖七：棒材拉伸曲線 從棒材第一次拉伸和第二次拉伸曲線可以得出： 第一次拉伸屈服塑性變形量為0.2，屈服拉力F0。 第二次拉伸時，當(dāng)拉力F0時棒材的塑性變形量始終為0.2%；當(dāng)拉力F0時，棒材的塑性變形量才會進一步增加。2）對于螺栓預(yù)緊曲線討論 圖八：螺栓預(yù)緊曲線由棒材塑性變形量分析可類推出只有螺栓第二次的預(yù)緊力FF0第一次預(yù)緊力。螺栓的塑性變形量才會進一步增加。影響一個螺栓第二次預(yù)緊軸力的變量都有那些？（1、預(yù)緊方案，2、摩擦系數(shù)）預(yù)緊方案理論上只有公差產(chǎn)生的影響（理論上可以控制）；摩擦系數(shù)（螺栓二次預(yù)緊）無法評估；但如果摩擦系數(shù)不超過表格理論輸入值，螺栓的塑型變形量永遠不