摘 要：螺栓作为一种联接方式，广泛的用于汽车关键部位的结合。汽车关键部位螺栓往往要承受高强度的拉伸力与剪切力，为此螺栓需要一定的预紧力。预紧力所带来的螺栓内部应力，伴随汽车的使用过程，往往会造成螺栓发生疲劳断裂的情况。目前对螺栓的断裂研究大多从材料入手，从其自身的设计计算方面考虑的相对较少。德国VDI2230标准对于螺栓应力的校核，对比国内通用机械设计手册螺栓应力校核，更加贴近实际。VDI2230标准对螺栓使用过程中的温度、螺纹摩擦系数及螺栓尺寸关注较多。
关键词：汽车螺栓；强度校核；VDI2230
10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.031
CLC NO.: U463.9 document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-97-02
引言
我国加入国际世贸组织后，经济有了长足的发展。人民生活水平的不断提高，汽车已经成为了生活必备品，促使我国汽车制造业成为了国民经济中的支柱产业，在市场运行中起到了越来越重要的作用。现代机械产品普遍采用流水线作业，并尽可能解放劳动力，那么就促使工程师在产品设计时更加趋向于连接件，这样可以便于更换维修，以此降低制造成本，提高产品零件互换性，其中应用最为广泛的就是螺栓联接。螺栓不但可以获得很大的联接力，又便于拆装，可以通过标准化，大批量生产，极大的降低了成本，增加了互换性。螺栓联接作为汽车装配上的重要应用，据相关资料介绍，根据发动机产品和结构不同，每辆汽车发动机上的螺纹紧固件通常在1000-2000件左右，品种更是高达100以上，规格也是从M4-M32不等，而其中大约100个是与车辆的安全性能有密切联系的。
1、汽车用螺栓联接现状
螺栓作为紧固件，其在机车高铁，动车地铁，飞机货车上的使用环境大多是高强度高应力，在汽车上主要部件的使用环境为低应力高周期，但是仍然存在着极大的隐患。从安全角度来说，螺栓所联接的部件都是汽车的重要部件；从经济角度来说，所联接的部件都是很昂贵的。所以，螺栓失效时，损坏的不仅仅是它们本身，而是整个产品。
对于企业来说，螺栓断裂需要更换新螺栓，成本并不高，是通用的方式。但是，按照目前汽车企业流水线的作业方式来说，螺栓都是在分装线上松装的，到汽车完成后做的最后的预装，此时加装预紧力，螺栓会发生预紧断裂的情况。为了更换螺栓，需要拆卸发动机和前桥，相对成本，工作量的增大是一种更大的耗损。[1]
某款宝马发动机凸轮轴进气调节装置发生故障（如图1所示），引发车辆在行驶过程中发动机突然熄火，再次启动时发动机无法着车。通过一系列的检查，最终进行故障排除时，拆卸油底壳找到断掉的几个螺栓，原来是链轮固定螺栓强度不足，造成的疲劳断裂。[2]
图1 链轮固定螺栓断裂
2、基于《机械设计手册》的螺栓联接的强度计算[4]
现行的汽车行业螺栓强度分析基本都是基于《机械设计手册》的理论计算，由于安全系数要求有较高的强度余量，所选螺栓强度会远远高于所需强度。进行强度计算时，首先是根据联接的类型、装配情况、载荷状态等条件，确定螺栓的受力；然后按相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径或校核其强度。
紧螺栓连接装配时，其螺栓危险截面的拉伸强度条件为：
F2为螺栓总拉力，
F0为螺栓预紧力，其中
为螺栓相对刚度，取值为0.2～0.3。
3、基于德国VDI2230标准的螺栓联接的强度计算[5]
“VDI2230-2003螺栓强度校核标准”在德国及其它国家已获得广泛应用，适用于高强度螺栓的强度校核，使用该标准校核最大载荷下的工作应力。
式中，σZmax为最大拉伸应力，τmax为最大扭转应力，kτ为减少系数，推荐值为0.5；FMzul为允许安装预载荷；P为螺距，d2为螺栓中径；µGmin为螺纹摩擦系数；d0为相应的螺栓最小横截面A0和主惯性矩的直径，在带有无螺纹直径为di的螺栓中，di小于等于应力横截面直径ds=（d2+d3）/2，为最不牢固的横截面直径。
VDI2230标准在用于校核螺栓强度方面，更加注重螺栓本身的各段尺寸，并将预紧力引起的螺栓扭转应力，以及螺纹摩擦系数精细的考虑在内。相对于机械设计手册粗略放大的相对刚度系数，该标准有效的降低了强度浪费。
4、结论
螺栓在汽车上的运用是普遍的，但是对螺栓的重视程度却远远不够，近几年频繁发生由于螺栓断裂引发的事故，可以看出螺栓身材虽小但位置关键。各大公司，特别是国际一线品牌对螺栓的选用设计也是严格的，但是同样发生由于螺栓强度不足发生事故，应该引起我们对设计过程的关注。德国VDI2230标准相对于机械设计手册的计算方式，更注重强度的有效利用，计算中考虑了温度、截面变化和摩擦系数等细节方面，为螺栓的强度校核提供了更加贴近事实的支持。
