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作者：苏欢、谢庆喜、丁培林、郎宝永、董力铭 一、螺栓的设计 普通螺纹的尺寸是由直径和螺距两个尺寸共同确定的，机械手册规定设计过程中必须按规定选用。具体的螺纹基本尺寸类型、螺纹公差与配合、螺纹螺母零件结构要素等可查询参考文献与相应国标。不同等级的螺栓在制作材料、热处理工艺、化学成分的含量上均不相同，最终表现为螺栓的力学与物理性能的不同。在校核螺栓强度中，除尺寸外还必须要用到强度等标准指标。螺栓连接件作为标准件，在规定参数下的力学性能指标均可由查表或试验获得。实际中为提升结构的刚性、紧密型、防松能力以及横向承载能力和抗疲劳能力，要对螺栓进行预紧。 二、为及早发现问题制定标准 目前对螺栓的断裂、松动与疲劳研究，大多是从材料和试验入手，从其自身的设计计算方面考虑的相对较少。由于在使用过程中汽车载荷形式复杂，传统机械手册在设计端无法获得螺栓实际的工作载荷：较低的载荷标准，可能会造成螺栓强度的不足而导致破坏；而较高的保守安全系数，又会使得最终应用的螺栓无法发挥性能，不能满足轻量化的要求。 由德国工程师协会（德语缩写：VDI）螺栓连接委员会编写的《VDI2230标准》在世界范围内得到了广泛的认可。准则主要涉及的是联接螺栓在承受静态或变化工作载荷时的螺栓设计与校核，相较于机械手册充分考虑了影响螺栓使用性能的因素。然而大量的文献研究表明，影响螺栓强度的诸多因素包括被连接件刚度、尺寸、零件表面加工精度与润滑方式、涂层厚度、制造工艺方法、摩擦系数等，VDI手册仍无法考虑，这时在机械手册中以安全系数代替，因此我国的机械手册设计较保守，而VDI手册允许螺栓进入屈服状态相对严酷。 三、国际通行的做法 专家认为，VDI设计的思路是以螺栓材料的极限屈服强度为约束，来确定螺栓装配预紧力。在最大装配力的工况下校验螺栓在工作状态下的各项安全系数，从而保证螺栓在工作状态下不发生屈服、疲劳、压溃以及滑移。 德国的VDI2230准则推荐的有高强度螺栓联接系统设计与校核计算方法，该方法广泛应用于各类工程结构。相较于我国传统的机械设计中通过实验结合经验以安全系数考虑螺栓联接设计影响因素的情况，该方法以确定的分析理论和计算公式考虑了以下几个方面的影响：（1）考虑了螺栓联接夹紧件与被夹紧件接合面之间及螺栓头和螺母支承面之间由于压陷而引起的预紧力损失量；（2）在分析计算中对预紧力的变化范围进行了考虑；（3）根据螺栓联接结构的材料和基本尺寸，对螺栓和被联接件的柔度进行了计算；（4）考虑到力的作用点对螺栓相对刚度的影响，引入了载荷系数。 但其仍然存在局限：（1）只适用于强度等级为8.8、10.9和12.9级的螺栓；（2）对螺栓联接结构中夹紧件与被夹紧件接触面的尺寸有严格的限制，如果超出了规定的尺寸限制值，该准则不再适用。在设计阶段，VDI标准首先通过保守预估单个螺栓受到载荷的情况初选尺寸，同时按规定初选方法确定需要的最小与最大预紧力。然后根据上一步的预紧力值确定预紧系数，定义为最大预紧力与最小预紧力的比值。再以工程实际需要的载荷，进一步确定选用该尺寸螺栓在满足抗剪要求、保证密封性能与预防结合面分离的情形下所需的最小预紧力。确定了所需要的最小预紧力之后，按照材料力学理论推导的公式估算螺栓连接系统的柔度值，其次通过推导的公式来考虑包括接触表面的嵌入、应力松弛与连接系统柔度的影响，再次得出满足需求的最小预紧力。按照最后一步的最小预紧力与预紧系数确定最大装配预紧力，判断该装配预紧力是否未超过许用螺栓预紧力而真正能预紧螺栓且不破坏，如果满足手册要求则完成了整个设计步骤，如果不能满足则在初选阶段调高一级螺栓尺寸来重新设计。 四、各方互补提高检校水平 专家认为，综合国内外在检验校准螺栓连接件上的做法，可以得出相应的结论： (1)国内机械设计手册与国际VDI标准手册在设计端均采用理论模型，对实际工作载荷估计存在缺陷，机械手册强度校核采用大量安全系数偏保守，VDI标准允许进入屈服状态存在理论局限； (2) 有限元模拟预紧力的方式与理论一致。当单个螺栓承受外载荷在预紧力范围内，螺栓没有被继续拉伸时，螺栓预紧力保持不变，外载荷与夹紧力之和等于预紧力，具体范围数值取决于反映在有限元模型中的相对刚度，边界条件以及接触区域摩擦系数； (3) 本文中提到的应用有限元与标准手册相结合的方法，可以弥补手册设计端的缺陷，在有限元分析端弥补因螺栓本身建模简化应力大、无法校核的缺陷。针对商用车下推力杆紧固螺栓的案例，证明文中方法能较准确校核螺栓与被连接件的强度。 |
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