奇瑞汽車高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1、更改記錄更改記錄單編號(hào)版本頁(yè)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(qiáng)度螺栓的定義和級(jí)別4、高強(qiáng)度螺栓的受力分析5、高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊載荷計(jì)算6、三種預(yù)緊工藝的原理7、高強(qiáng)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(cè)定摩擦系數(shù)11、如何選擇供應(yīng)商12、參考文獻(xiàn)1、適用范圍 該標(biāo)準(zhǔn)適用于發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度螺栓的選擇、擰緊方案的確定、以及擰緊方案的試驗(yàn)驗(yàn)證原理。2、目的該標(biāo)準(zhǔn)主要講解如何選擇高強(qiáng)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(jì)要求。利用現(xiàn)有試驗(yàn)條件驗(yàn)證擰緊方案；同時(shí)對(duì)于供應(yīng)商的選擇方法給出建議；并講解如何測(cè)量

2、摩擦系數(shù)。3、高強(qiáng)度螺栓的定義和級(jí)別螺栓的性能等級(jí)含義是國(guó)際的通用標(biāo)準(zhǔn)。螺栓的性能等級(jí)標(biāo)號(hào)由兩部分?jǐn)?shù)字組成，分別表示螺栓材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比值。一般用“X*Y”表示強(qiáng)度等級(jí)。其中X*100表示螺栓材料的抗拉強(qiáng)度值，（Y/10）*X*100表示螺栓材料的屈服強(qiáng)度值。連接用的螺栓性能等級(jí)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(jí)以上的螺栓通稱為高強(qiáng)度螺栓。 表一 高強(qiáng)度螺栓性能參數(shù)（參見(jiàn)ISO898-1、GB3098.1-2000）級(jí)別8.89.810.912.9抗拉強(qiáng)度上限12001350下限80090010401220屈服強(qiáng)

3、度上限1070/11001230下限6407209401100 抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(qiáng)度螺栓對(duì)于抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度上限值的定義五花八門。大眾公司根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將上限值定義為在下限值的基礎(chǔ)上增加150N.mm。對(duì)于主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，要求供應(yīng)商抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度上下限范圍越小越好；但相應(yīng)的成本也會(huì)增加。建議我司高強(qiáng)度螺栓性能參數(shù)參考大眾的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。4、高強(qiáng)度螺栓的受力分析發(fā)動(dòng)機(jī)使用的高強(qiáng)度螺栓按照受力情況的不同可以分為兩類（不考慮非正常情況的沖擊載荷）：一：螺栓只受靜載荷力（即：只受預(yù)緊載荷）。例如：飛輪螺

4、栓、扭轉(zhuǎn)減震器螺栓等。二：在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)螺栓除了受靜載荷力（即：受預(yù)緊載荷）；同時(shí)還受動(dòng)載荷（即：受靜載荷+動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)載）圖一:符號(hào)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(zhǎng)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:連接件2剛度C3; cd:連接件3剛度C4。 圖二:符號(hào)解釋P1：軸瓦的張力

5、；P：靜載荷（預(yù)緊載荷）；Pj：動(dòng)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(zhǎng)量；1+2：靜載荷（預(yù)緊載荷）導(dǎo)致螺栓伸長(zhǎng)量；4：連桿壓縮量； 3：螺栓克服動(dòng)載繼續(xù)伸長(zhǎng)量/連桿卸載恢復(fù)伸長(zhǎng)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(qiáng)度螺栓預(yù)緊載荷計(jì)算 高強(qiáng)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(duì)F4J16發(fā)動(dòng)機(jī)使用的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行了計(jì)算和校核；而且給出計(jì)算結(jié)果的判定標(biāo)準(zhǔn)。按照F4J16連桿螺栓檢核方法對(duì)單個(gè)連桿螺栓在工作時(shí)所需要最小預(yù)緊載荷的計(jì)算方法整理成計(jì)算表格。見(jiàn)表格連桿螺栓校核。 連

6、桿螺栓校核表格在最好計(jì)算和判斷時(shí)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(jì)算出單個(gè)連桿螺栓的最小預(yù)計(jì)載荷。二：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先選擇某個(gè)等級(jí)的螺栓，輸入這個(gè)等級(jí)的單個(gè)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(qiáng)度螺栓可以參照AVL計(jì)算螺栓的方法制做成類似于連桿螺栓這樣的表格或者計(jì)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(gè)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?shī)A緊被聯(lián)接件。稱擰緊螺紋緊固件為預(yù)緊，稱該力為預(yù)緊力。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明預(yù)緊所施加的扭矩僅僅

7、5%10%轉(zhuǎn)化有用的預(yù)緊力。圖三：預(yù)計(jì)施加的扭矩分解圖 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的實(shí)際理論計(jì)算見(jiàn)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(jì)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(wèn)題（噴嘴密封面壓力多少的問(wèn)題）。目前使用的螺栓預(yù)緊工藝由：1）力矩?cái)Q緊控制法，2）扭矩-轉(zhuǎn)角控制法，3）屈服點(diǎn)控制法，4）落座點(diǎn)-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?cái)Q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(jì)力矩和預(yù)緊力關(guān)系評(píng)價(jià)擰緊工藝的參數(shù)：計(jì)算見(jiàn)表格力矩?cái)Q緊工藝裝配表格 裝配系數(shù)A =FMmax/FMmin=1.64 （經(jīng)驗(yàn)

8、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?cái)Q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?cái)Q緊工藝優(yōu)點(diǎn)： 理論上螺栓可以多次使用 操作簡(jiǎn)單，成本低 扭矩容易測(cè)量和控制 扭矩事后容易復(fù)檢 力矩?cái)Q緊工藝缺點(diǎn)： 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(píng)價(jià)擰緊工藝的參數(shù)：計(jì)算見(jiàn)表格力矩?cái)Q緊工藝裝配表格 T1 +/- T +/- T 轉(zhuǎn)

9、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(yàn)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(shí)， =6；當(dāng)T=20時(shí)，=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(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(shí)控制螺栓的擰緊精度，以保證擰緊最終軸力的散差

10、。（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(diǎn)法擰緊）力矩+轉(zhuǎn)角擰緊工藝優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)： 操作較復(fù)雜成本高 對(duì)擰緊工具要求高 螺栓重復(fù)使用受限制 不能對(duì)擰緊結(jié)果進(jìn)行復(fù)檢3） 屈服點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，應(yīng)同時(shí)測(cè)量緊固扭矩以及緊固轉(zhuǎn)角，特別是需要對(duì)斜率進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。所以應(yīng)使用帶有電器計(jì)量器、微型電腦等計(jì)算裝置的工具(目前371

11、裝配線有此監(jiān)控設(shè)備)。屈服點(diǎn)擰緊的裝配系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為1.21.4。屈服點(diǎn)擰緊工藝優(yōu)點(diǎn)： 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(diǎn)擰緊工藝缺點(diǎn)： 操作較復(fù)雜成本高 需要昂貴的測(cè)試平臺(tái)不能對(duì)擰緊結(jié)果進(jìn)行復(fù)檢其他擰緊方法：落座點(diǎn)+轉(zhuǎn)角法、伸長(zhǎng)測(cè)量法、手動(dòng)擰緊法等。其中較常用的為以上三種測(cè)量方法。在這三種方法里扭矩+轉(zhuǎn)角法，對(duì)軸力的控制精度相對(duì)較高，而且相對(duì)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(qiáng)度螺栓的軸力。7、高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊方案確定 在高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊載荷計(jì)算一節(jié)對(duì)于螺栓的最小軸力進(jìn)行了計(jì)算；此節(jié)給高強(qiáng)度螺栓的選擇以及擰

12、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(qiáng)度螺栓計(jì)算報(bào)告例子講解如何選擇高強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度選擇（表格第一部分） 在表格高強(qiáng)度螺栓計(jì)算報(bào)告第一部分綠色區(qū)域輸入以下參數(shù)：螺栓直徑、螺距、強(qiáng)度等級(jí)（屈服強(qiáng)度）、摩擦系數(shù)。 第一部分深黃色區(qū)域即輸出屈服時(shí)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(duì)比，看是否滿足要求。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(jì)算原理公式見(jiàn): 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

13、提出要求：螺紋牙型角，細(xì)牙螺紋 60 P、d2、d3 根據(jù)螺紋名義直徑查表或者計(jì)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(zhǎng)度、螺栓未嚙合的長(zhǎng)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(jì)算手算連接件的剛度。多個(gè)連接件的剛度按照串聯(lián)計(jì)算剛度。串聯(lián)公式見(jiàn)：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連接件的橫截面積 L 連接件長(zhǎng)度 螺栓的剛度按照連接件剛度計(jì)算計(jì)算 部分連接件的剛度在手算時(shí)可以簡(jiǎn)化為圓柱體，精確計(jì)算需要CAE分析。 螺栓法蘭面

14、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(shí)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(jì)算原理公式見(jiàn)： F /As = 0 F：螺栓屈服預(yù)緊時(shí)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(zhǎng)度、螺栓未嚙合的長(zhǎng)度（輸入值）螺栓長(zhǎng)度與螺紋未嚙合的長(zhǎng)度對(duì)第三部分淺黃色區(qū)域活塞塑性 伸長(zhǎng)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)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

15、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(dòng)態(tài)扭矩轉(zhuǎn)角曲線簇綜合選取越接近轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(duì)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(zhǎng)百分比與標(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(qiáng)度（表格 第一部分），未嚙合的螺栓長(zhǎng)

16、度（表格第二部分），輸出螺栓塑性變形比例。AVL的塑性伸長(zhǎng)百分比的標(biāo)準(zhǔn) 為0.2%0.6%（長(zhǎng)螺栓）。Kamax的標(biāo)準(zhǔn)為0.2%0.8%（長(zhǎng)螺栓）。建議我司按照對(duì)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(jì)次數(shù)一節(jié)講解）。對(duì)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(jì)算上認(rèn)為彈性極限與0.2%屈服點(diǎn)兩點(diǎn)重合）由以下公式計(jì)算出在不同摩擦系數(shù)，不同屈服強(qiáng)度下的螺栓提供的軸力范圍。由以下公式可以得出螺栓在彈性極限（0.2%屈服點(diǎn)）時(shí)的預(yù)緊力矩。由以下公式可以計(jì)算出第一步擰緊螺栓產(chǎn)生變形量。 T/Ft=T0/F0 L1=Ft/Ctota

17、l (Ctotal=1/(1/C1+1/C2) 由以下公式可以計(jì)算出第二步擰緊螺栓產(chǎn)生變形量。 L2=/360*P 由以下公式計(jì)算塑性變形量。 L3=F0.2/Ctotal L=L1+L2-L3由以下公式計(jì)算塑性伸長(zhǎng)率。 X%=L/L L（螺栓未嚙合的長(zhǎng)度）另在第二步預(yù)緊轉(zhuǎn)角時(shí)對(duì)于短螺栓的塑性伸長(zhǎng)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(shí)不僅受到軸向的拉力同時(shí)受到剪切力。其材料變形曲線沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)。IS中確定螺栓的屈服標(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(cè)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(zhǎng)量的2

18、%）。按照此標(biāo)準(zhǔn)需要在實(shí)際中測(cè)試螺栓的塑性伸長(zhǎng)量，具體測(cè)量方法參見(jiàn)高強(qiáng)度螺栓擰緊試驗(yàn)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(wú)限次預(yù)緊（因?yàn)槭冀K位于彈性區(qū)域）；屈服點(diǎn)控制法可以無(wú)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(jì)算出預(yù)緊使用次數(shù)？下文將展開(kāi)討論。 1）對(duì)于棒材試驗(yàn)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(shí)，當(dāng)拉力F0時(shí)棒材的塑性變形量始終為0.2%；當(dāng)拉力F0時(shí)，棒材的塑性變形量才會(huì)進(jìn)一步增加。2）對(duì)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(huì)進(jìn)一步增加。影響一個(gè)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(wú)法評(píng)估；但如果摩擦系數(shù)