奇瑞汽车螺栓设计与拧紧方案标准！

螺栓的性能等级含义是国际的通用标准。螺栓的性能等级标号由两部分数字组成，分别表示螺栓材料的抗拉强度和屈服强度比值。

一般用“X*Y”表示强度等级。其中X*100表示螺栓材料的抗拉强度值，（Y/10）*X*100表示螺栓材料的屈服强度值。

连接用的螺栓性能等级分别为：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级以上的螺栓通称为高强度螺栓。

 表一 高强度螺栓性能参数（参见ISO898-1、GB3098.1-2000）

抗拉强度和屈服强度在DIN EN 20989-1 、ISO898-1以及GB3098.1规定了最小值，未定义最大值。我司各高强度螺栓对于抗拉强度和屈服强度上限值的定义五花八门。

大众公司根据经验将上限值定义为在下限值的基础上增加150N.mm。对于主机厂来说，要求供应商抗拉强度和屈服强度上下限范围越小越好；但相应的成本也会增加。建议我司高强度螺栓性能参数参考大众的标准执行。

发动机使用的高强度螺栓按照受力情况的不同可以分为两类（不考虑非正常情况的冲击载荷）：

• 螺栓只受静载荷力（即：只受预紧载荷）。例如：飞轮螺栓、扭转减震器螺栓等。

• 在发动机运行时螺栓除了受静载荷力（即：受预紧载荷）；同时还受动载荷（即：受静载荷 动载荷）。例如：连杆螺栓、缸盖螺栓、主轴盖螺栓等。

两类螺栓的受力简图（以连杆螺栓和扭转减震器螺栓为例子）：

图一 扭转减震器螺栓受力图示（静载）

图二 连杆螺栓受力图示（静载 动载）

ab:连接件1的刚度（C2）；bc:连接件2刚度C3; cd:连接件3刚度C4。

λ3：螺栓克服动载继续伸长量/连杆卸载恢复伸长量；oa:螺栓的刚度（C1）；ab:连杆的刚度（C2）；bc:连杆瓦刚度C3。

其余高强度螺栓可以参照AVL计算螺栓的方法制做成类似于连杆螺栓这样的表格或者计算规范。

图三：预计施加的扭矩分解图

经验参数的实际理论计算见表格《螺栓拧紧力矩分解》，《弹性范围螺栓轴力与力矩表格》。表格的计算意义：

• 明确拧紧力矩分配关系。

• 解决部分由于拧紧产生的密封的密封压力问题（喷嘴密封面压力多少的问题）。

目前使用的螺栓预紧工艺由：

• 力矩拧紧控制法，

• 扭矩-转角控制法，

• 屈服点控制法，

• 落座点-转角控制法，

• 其他方法。

本标准只介绍前三种的拧紧工艺的原理。

图四：预计力矩和预紧力关系

评价拧紧工艺的参数：计算见表格《力矩拧紧工艺装配表格》

• 装配系数αA =FMmax/FMmin=1.64   （经验系数 1.4-1.8） (M8*1 /10.9 为例)

• 预紧力散差δFM= FMmax- FMmin=11.64kN     (M8*1 /10.9 为例)

力矩拧紧工艺最终轴力的大小是由于螺栓摩擦系数导致。所以要严格控制连接件摩擦副的摩擦系数，以保证拧紧最终轴力的散差。

力矩拧紧工艺优点：

• 理论上螺栓可以多次使用

• 操作简单，成本低
  

• 扭矩容易测量和控制

• 扭矩事后容易复检

力矩拧紧工艺缺点：

• 受摩擦系数影响大

• 螺栓材料利用率低

图五：紧固转角和预紧力矩关系

评价拧紧工艺的参数：计算见表格《力矩拧紧工艺装配表格》

• T1 /- T′    /- T′  转化为转角公差    /-5°  轴力 /- 2.7kN    (M8*1 /10.9 为例)

• Ѳ2 /-Ѳ′    /-Ѳ′  转角公差    /-5°  轴力 /- 2.79kN   (M8*1 /10.9 为例)

• 装配系数  αA =FMmax/ FMmin= 1.26   （经验系数 1.2-1.4）    (M8*1 /10.9 为例)

• 预紧力散差δFM= FMmax- FMmin=11kN      (M8*1 /10.9 为例)

• 当T=15时， Ѳ′′=6°；当T=20时，Ѳ′′=8°。

力矩 转角的最终轴力的大小是由：

• 螺栓摩擦系数导致(第一步拧紧)

• 拧紧设备的精度公差。

所也要控制连接件摩擦副的摩擦系数，同时控制螺栓的拧紧精度，以保证拧紧最终轴力的散差。（摩擦系数解决方案：欧洲大众：摩擦系数稳定剂，日本采用落点法拧紧）

力矩 转角拧紧工艺优点：

• 能较准确的控制预紧力

• 螺栓材料被完全利用

• 连接件的抗疲劳性能好

力矩 转角拧紧工艺缺点：

• 操作较复杂成本高

• 对拧紧工具要求高

• 螺栓重复使用受限制

• 不能对拧紧结果进行复检

图六：紧固转角和预紧力矩关系

屈服点拧紧发的目标值为控制扭矩斜率（dT/dѲ）,并在最大扭矩斜率（dT/dѲ，max）的1/2~1/3之间选择。由于紧固时，应同时测量紧固扭矩以及紧固转角，特别是需要对斜率进行对比计算。

所以应使用带有电器计量器、微型电脑等计算装置的工具(目前371装配线有此监控设备)。屈服点拧紧的装配系数的经验值为1.2~1.4。

屈服点拧紧工艺优点：

• 理论上能准确控制预紧力

• 螺栓材料被完全利用

• 连接件的抗疲劳性能好

• 理论上螺栓重复使用不受限制

屈服点拧紧工艺缺点：

• 操作较复杂成本高

• 需要昂贵的测试平台
  

• 不能对拧紧结果进行复检
  

 其中：μG:螺纹摩擦系数根据供应商的能力合理给供应商提出要求，α：螺纹牙型角，细牙螺纹 60° ，P、d2、d3 根据螺纹名义直径查表或者计算。Ao(表格里的As)螺栓有效截面积。 ф：螺纹升程角，ρ′：螺纹牙型角余角

C=（E*A）/L   1/C=1/C1 1/C2 1/C3

C 连接件的刚度 、E连接件的弹性模量 、A连接件的横截面积 、L 连接件长度。

螺栓的刚度按照《连接件刚度计算》计算，部分连接件的刚度在手算时可以简化为圆柱体，精确计算需要CAE分析。

螺栓法兰面内径、螺栓法兰面外径、（输入值）输入螺栓法兰面内/外径的同时在表格第一部分黄色 区域输出连接件支撑面的应力值。需要保证连接件支撑面最大应力值小于连接件的屈服应力（小于多少是否有量化的100%）。计算原理公式见：

F /As =δ ＜ δ0

 F：螺栓屈服预紧时提供的最大轴力，As：支撑面的有效接触面积   ， δ0：连接件屈服应力。

螺栓长度、螺栓未啮合的长度（输入值）螺栓长度与螺纹未啮合的长度对第三部分浅黄色 区域活塞塑性伸长量的百分比有很大关系。

建议我司按照浩明标准执行20%~45%。如有动态扭矩转角曲线簇综合选取越接近转折点扭矩，最终预紧轴力的散差就越小。由于第一步预紧力矩的公差值 /- T′对于最终预紧力矩产生很大散差，综合与工艺讨论确定越小越好。

第二步预紧转角θ，在第一步基础上输入转角值θ /-θ′，使螺栓的塑性伸长百分比与标准值接近。

根据输入的预紧方案（表格的第三部分第一步 /- T′T，第二步θ /-θ′），预紧螺栓的强度（表格第一部分），未啮合的螺栓长度（表格第二部分），输出螺栓塑性变形比例。AVL的塑性伸长百分比的标准为0.2%~0.6%（长螺栓）。

Kamax的标准为0.2%~0.8%（长螺栓）。建议我司按照对于预紧≥两次的螺栓参考AVL标准(0.2%~0.6)（具体原因在下节螺栓预计次数一节讲解）。对于预紧一次的螺栓建议参考Kmax标准（0.2~0.8）。

具体原理公式：（工程计算上认为弹性极限与0.2%屈服点两点重合）由以下公式计算出在不同摩擦系数，不同屈服强度下的螺栓提供的轴力范围。

由以下公式可以得出螺栓在弹性极限（0.2%屈服点）时的预紧力矩。

由以下公式可以计算出第一步拧紧螺栓产生变形量。

T/Ft=T0/F0    δL1=Ft/Ctotal    (Ctotal=1/(1/C1 1/C2))  

由以下公式可以计算出第二步拧紧螺栓产生变形量。

 δL2=Ѳ/360°*P

由以下公式计算塑性变形量。

δL3=Fδ0.2/Ctotal     δL=δL1 δL2-δL3

由以下公式计算塑性伸长率。

X%=δL/L′   L′（螺栓未啮合的长度）

另在第二步预紧转角θ时对于短螺栓的塑性伸长率AVL的标准为2%

图七：棒材拉伸曲线

从棒材第一次拉伸和第二次拉伸曲线可以得出：

第一次拉伸屈服塑性变形量为0.2％，屈服拉力F0。

第二次拉伸时，当拉力≤F0时棒材的塑性变形量始终为0.2%；当拉力＞F0时，棒材的塑性变形量才会进一步增加。

图八：螺栓预紧曲线

由棒材塑性变形量分析可类推出只有螺栓第二次的预紧力F′＞F0第一次预紧力。螺栓的塑性变形量才会进一步增加。影响一个螺栓第二次预紧轴力的变量都有那些？（1、预紧方案，2、摩擦系数）预紧方案理论上只有公差产生的影响（理论上可以控制）；

摩擦系数（螺栓二次预紧）无法评估；但如果摩擦系数不超过表格理论输入值，螺栓的塑型变形量永远不超过理论计算的变形量的范围。

由于实际生产过程的很多影响因素无法控制而且多次预紧后螺栓的螺纹会发生损伤；所以对于螺栓拧紧次数的确定建议参照《高强度螺栓拧紧试验方法》在实际生产中统计确定。

图九：摩擦系数落在目标区域内

图十：摩擦系数控制不稳定

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