实验室案例 │ 螺栓正向开发设计测试全过程实例分析

螺栓工作时候所受的最大工作载荷为剪切方向载荷，剪切载荷为14465N。根据实际测试的结合面摩擦系数为0.2，摩擦面为2，经过有限元分析，开档零件与衬套之间的最大间隙消除需要4018.1kN，因此，可以计算出满足横向剪切载荷所需要的最小夹紧力为40.1KN。

根据该计算结果可以选用M12x1.5-20.9的螺栓，过屈服扭矩转角法拧紧。但是，由于该车共线生产，此处原有车型配备的是扭矩法拧紧枪，量程250Nm。M12x1.5-10.9螺栓过屈服扭矩转角法拧紧有可能会接近，甚至超过工具量程的情况。因此，此处选用M14x1.5-10.9级的螺栓，扭矩法拧紧。螺栓规格也保持与原车型一致。

计算结果分析

螺栓计算校核软件

目前客户已经进行试生产，现场采用扭矩法装配，装配扭矩140Nm±15Nm，对应轴力范围，44KN-81KN，计算结果如下图。

当然软件会给出默认值，默认值为螺栓最小摩擦系数时候螺栓90%屈服时最大预紧力条件下的拧紧扭矩，最小拧紧扭矩为最大拧紧扭矩的0.9倍，系统默认值推荐为188Nm-209Nm，对应轴力范围64KN-107KN。

通常情况下M14x1.5-10.9螺栓可以设定更高的扭矩，尽量充分利用螺栓的强度和材料。建议设置为180Nm±20Nm，充分利用螺栓材料，增加足够夹紧力。

125Nm-155Nm扭矩轴力区间

安全系数评估
 

软件安全系数评估结果显示，螺栓选型和拧紧工艺比较合理，螺母啮合长度偏短，焊接螺母强度偏低，在超拧时候，例如在进行模拟装配试验拧紧到螺栓断裂时候容易发生螺母滑牙的风险。需要对该焊接螺母的强度提高，从而使焊接螺母的保证载荷增大。

样件开发完毕后，对实际样件进行模拟装配试验，验证设计拧紧工艺是否满足要求，同时确认装配扭矩工艺条件下的螺栓夹紧力是否满足设计要求。

螺栓超声波轴力测试标定曲线

 预紧力-扭矩-角度曲线

 
拧紧试验实物照片

螺栓轴力扭矩测试结果

试验结果分析

计算表明满足外载荷要求所需的最小夹紧力为40.18kN，在最小工艺设定扭矩125Nm时候，X-3δ的最小值为39.26kN，稍小于设计要求，因此，需要考虑增加拧紧扭矩。通常情况下M14x1.5-10.9螺栓可以设定更高的扭矩，尽量充分利用螺栓的强度和材料。建议设置为180Nm±20Nm，充分利用螺栓材料，增加足够夹紧力。

由于试验时候出现螺纹滑牙的失效形式，因此，建议增加焊接螺母的强度，确保焊接螺母的保证载荷满足至少10级的要求。同时，由于焊接螺母焊接时候会有大量热量输入，有可能造成螺母的退火，因此，应使焊接螺母的保证载荷在焊接后确保能够满足10级螺母的保证载荷要求，对焊接后的焊接螺母进行保证载荷试验，确保满足要求。

螺栓装配扭矩设计合理后，在汽车行使过程中收到载荷后仍然有发生松动的可能，因此选择2辆车进行路试跟踪测试，6个月轴力路试后再次测试螺栓轴力。

轴力测试结果

1、螺栓满足最大剪切方向载荷144.65N,摩擦面摩擦系数为0.2，且考虑消隙力的情况下，需要的最小夹紧力为40.1KN。

2、最小拧紧扭矩125Nm 对应的螺栓的预紧力最小可能会低于设计最小所需的预紧力要求。

3、螺栓在90%屈服强度轴力范围为92KN-116KN，软件计算扭矩为189Nm-210Nm。因此，鉴于实测拧紧扭矩还是有足够的安全余量，建议设置拧紧扭矩为，180Nm±20Nm，充分利用螺栓材料，增加足够夹紧力。

4、由于软件计算螺母容易出现滑牙的风险，且实际拧紧试验时候，出现非正常的螺栓断裂失效模式，因此，建议提高螺母的强度，由于此处是焊接螺母，还应保证焊接螺母的碳含量和碳当量要求，推荐焊接螺母选用10B21的材料进行调质处理，确保螺母的厚度足够厚，建议焊接后再实测焊接螺母焊后的保证载荷满足10级螺母的要求。否则，如果焊接前保证载荷满足要求，焊接后保证载荷降低很多，就需要对焊接工艺进行调整，保证焊接后焊接螺母的强度。

5、路试后轴力发生衰减，衰减轴力仍让满足夹紧要求，但是接近最小夹紧力，一次建议提高螺栓安装扭矩。

扩展阅读：

超声波测量螺栓预紧力的简单原理

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