如何檢驗汽車螺栓的連接件強度？
汽車螺栓這個小小的零部件，在商用汽車的結(jié)構(gòu)中大量應用。那么，如何檢驗校準螺栓連接件的強度，關系到車輛的安全可靠性，具有重要的工程意義。
一、螺栓的設計普通螺紋的尺寸是由直徑和螺距兩個尺寸共同確定的，機械手冊規(guī)定設計過程中必須按規(guī)定選用。具體的螺紋基本尺寸類型、螺紋公差與配合、螺紋螺母零件結(jié)構(gòu)要素等可查詢參考文獻與相應國標。
不同等級的螺栓在制作材料、熱處理工藝、化學成分的含量上均不相同，最終表現(xiàn)為螺栓的力學與物理性能的不同。在校核螺栓強度中，除尺寸外還必須要用到強度等標準指標。螺栓連接件作為標準件，在規(guī)定參數(shù)下的力學性能指標均可由查表或試驗獲得。實際中為提升結(jié)構(gòu)的剛性、緊密型、防松能力以及橫向承載能力和抗疲勞能力，要對螺栓進行預緊。
二、為及早發(fā)現(xiàn)問題制定標準目前對螺栓的斷裂、松動與疲勞研究，大多是從材料和試驗入手，從其自身的設計計算方面考慮的相對較少。由于在使用過程中汽車載荷形式復雜，傳統(tǒng)機械手冊在設計端無法獲得螺栓實際的工作載荷：較低的載荷標準，可能會造成螺栓強度的不足而導致破壞；而較高的保守安全系數(shù)，又會使得最終應用的螺栓無法發(fā)揮性能，不能滿足輕量化的要求。
由德國工程師協(xié)會（德語縮寫：VDI）螺栓連接委員會編寫的《VDI2230標準》在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的認可。準則主要涉及的是聯(lián)接螺栓在承受靜態(tài)或變化工作載荷時的螺栓設計與校核，相較于機械手冊充分考慮了影響螺栓使用性能的因素。然而大量的文獻研究表明，影響螺栓強度的諸多因素包括被連接件剛度、尺寸、零件表面加工精度與潤滑方式、涂層厚度、制造工藝方法、摩擦系數(shù)等，VDI手冊仍無法考慮，這時在機械手冊中以安全系數(shù)代替，因此我國的機械手冊設計較保守，而VDI手冊允許螺栓進入屈服狀態(tài)相對嚴酷。
三、國際通行的做法專家認為，VDI設計的思路是以螺栓材料的極限屈服強度為約束，來確定螺栓裝配預緊力。在最大裝配力的工況下校驗螺栓在工作狀態(tài)下的各項安全系數(shù)，從而保證螺栓在工作狀態(tài)下不發(fā)生屈服、疲勞、壓潰以及滑移。
德國的VDI2230準則推薦的有高強度螺栓聯(lián)接系統(tǒng)設計與校核計算方法，該方法廣泛應用于各類工程結(jié)構(gòu)。相較于我國傳統(tǒng)的機械設計中通過實驗結(jié)合經(jīng)驗以安全系數(shù)考慮螺栓聯(lián)接設計影響因素的情況，該方法以確定的分析理論和計算公式考慮了以下幾個方面的影響：（1）考慮了螺栓聯(lián)接夾緊件與被夾緊件接合面之間及螺栓頭和螺母支承面之間由于壓陷而引起的預緊力損失量；（2）在分析計算中對預緊力的變化范圍進行了考慮；（3）根據(jù)螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的材料和基本尺寸，對螺栓和被聯(lián)接件的柔度進行了計算；（4）考慮到力的作用點對螺栓相對剛度的影響，引入了載荷系數(shù)。但其仍然存在局限：（1）只適用于強度等級為8.8、10.9和12.9級的螺栓；（2）對螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)中夾緊件與被夾緊件接觸面的尺寸有嚴格的限制，如果超出了規(guī)定的尺寸限制值，該準則不再適用。在設計階段，VDI標準首先通過保守預估單個螺栓受到載荷的情況初選尺寸，同時按規(guī)定初選方法確定需要的最小與最大預緊力。然后根據(jù)上一步的預緊力值確定預緊系數(shù)，定義為最大預緊力與最小預緊力的比值。再以工程實際需要的載荷，進一步確定選用該尺寸螺栓在滿足抗剪要求、保證密封性能與預防結(jié)合面分離的情形下所需的最小預緊力。確定了所需要的最小預緊力之后，按照材料力學理論推導的公式估算螺栓連接系統(tǒng)的柔度值，其次通過推導的公式來考慮包括接觸表面的嵌入、應力松弛與連接系統(tǒng)柔度的影響，再次得出滿足需求的最小預緊力。按照最后一步的最小預緊力與預緊系數(shù)確定最大裝配預緊力，判斷該裝配預緊力是否未超過許用螺栓預緊力而真正能預緊螺栓且不破壞，如果滿足手冊要求則完成了整個設計步驟，如果不能滿足則在初選階段調(diào)高一級螺栓尺寸來重新設計。
四、各方互補提高檢校水平專家認為，綜合國內(nèi)外在檢驗校準螺栓連接件上的做法，可以得出相應的結(jié)論（1）國內(nèi)機械設計手冊與國際VDI標準手冊在設計端均采用理論模型，對實際工作載荷估計存在缺陷，機械手冊強度校核采用大量安全系數(shù)偏保守，VDI標準允許進入屈服狀態(tài)存在理論局限；
（2）有限元模擬預緊力的方式與理論一致。當單個螺栓承受外載荷在預緊力范圍內(nèi)，螺栓沒有被繼續(xù)拉伸時，螺栓預緊力保持不變，外載荷與夾緊力之和等于預緊力，具體范圍數(shù)值取決于反映在有限元模型中的相對剛度，邊界條件以及接觸區(qū)域摩擦系數(shù)；
（3）本文中提到的應用有限元與標準手冊相結(jié)合的方法，可以彌補手冊設計端的缺陷，在有限元分析端彌補因螺栓本身建模簡化應力大、無法校核的缺陷。針對商用車下推力桿緊固螺栓的案例，證明文中方法能較準確校核螺栓與被連接件的強度。
