本發(fā)明涉及螺栓擰緊工藝，用于汽車部件設(shè)計(jì)及裝配工藝。

背景技術(shù)：

汽車部件采用螺栓連接的比較多，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中，發(fā)動(dòng)機(jī)主要螺栓包括缸體缸蓋聯(lián)接螺栓、連桿螺栓、曲軸主軸承座螺栓、曲軸前端中心螺栓、飛輪螺栓，在與這些螺栓聯(lián)接的相關(guān)零部件設(shè)計(jì)與仿真分析時(shí)，需要對(duì)裝配載荷進(jìn)行仿真，而螺栓預(yù)緊力是相關(guān)零部件的主要裝配載荷，螺栓預(yù)緊力嚴(yán)重影響到相關(guān)零部件在裝配時(shí)的變形和在工作時(shí)的可靠性，因此，螺栓聯(lián)接成為相關(guān)零部件在設(shè)計(jì)與仿真時(shí)最重要的邊界條件，也是制造過程中影響裝配質(zhì)量的、需要嚴(yán)格控制的主要因素之一。

目前螺栓擰緊工藝主要有扭矩法、屈服點(diǎn)法和轉(zhuǎn)角法。螺栓擰緊采用轉(zhuǎn)角法在工程應(yīng)用中表現(xiàn)為首先對(duì)螺栓聯(lián)接副施加一個(gè)密合力矩，其目的是使螺栓聯(lián)接副相互充分接觸，然后再將螺栓旋轉(zhuǎn)至一定的角度，從而完成螺栓擰緊，其優(yōu)點(diǎn)是螺栓擰緊后其預(yù)緊力散差較小，精度高。但對(duì)于轉(zhuǎn)角法的預(yù)緊力離散如何在工程上用圖形來表達(dá)，目前還沒有這方面的文獻(xiàn)及專版，歐美多采用在屈服點(diǎn)法基礎(chǔ)上預(yù)緊力增加5％～10％來獲得螺栓的最大預(yù)緊力，此法可應(yīng)用在進(jìn)入屈服點(diǎn)以上的轉(zhuǎn)角法，但無法獲得具體的螺栓擰緊工藝，其擰緊工藝需要在樣件制成后進(jìn)行試驗(yàn)來獲得，同時(shí)，對(duì)于在彈性范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角法則無法預(yù)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種轉(zhuǎn)角法的離散預(yù)緊力預(yù)測(cè)方法，主要是用于發(fā)動(dòng)機(jī)主要螺栓的設(shè)計(jì)及裝配工藝選用。

本發(fā)明提出的螺栓轉(zhuǎn)角法離散預(yù)緊力的預(yù)測(cè)方法分兩種情況：

在彈性范圍內(nèi)(指螺栓聯(lián)接副在受力產(chǎn)生的變形在卸載后能夠恢復(fù)到原來的大小)，本發(fā)明利用了廣義虎克定律對(duì)螺栓聯(lián)接副進(jìn)行了力的平衡：ΣF＝0與變形協(xié)調(diào)θ＝(ΔL_拉+ΔL_壓)×360/P聯(lián)合計(jì)算，從而獲得轉(zhuǎn)角法的預(yù)緊力分布。

若螺栓聯(lián)接副發(fā)生塑性變形(指螺栓聯(lián)接副在受力產(chǎn)生的變形在卸載后不能恢復(fù)到原來的大小)，計(jì)算便較為復(fù)雜。為使計(jì)算簡(jiǎn)化，本發(fā)明采用了能量守恒定律：在彈性假設(shè)下，得到一個(gè)比實(shí)際大的虛假應(yīng)力和比實(shí)際小的虛假應(yīng)變，然后采用能量守恒定律，得到真實(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變，通過力的平衡與變形協(xié)調(diào)的非線性迭代計(jì)算，并最終獲得轉(zhuǎn)角法的預(yù)緊力分布。

本發(fā)明方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、條理清晰等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是彈性范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角法；

圖2是材料進(jìn)入塑性區(qū)的轉(zhuǎn)角法。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本方法的計(jì)算過程：

一種螺栓轉(zhuǎn)角法離散預(yù)緊力的預(yù)測(cè)方法，其是在彈性范圍內(nèi)，利用廣義虎克定律對(duì)螺栓聯(lián)接副進(jìn)行力的平衡，從而獲得轉(zhuǎn)角法的預(yù)緊力分布；所述彈性范圍內(nèi)是指螺栓聯(lián)接副在受力產(chǎn)生的變形在卸載后能夠恢復(fù)到原來的大小。

計(jì)算螺栓預(yù)緊力時(shí)需要的參數(shù)如下：摩擦系數(shù)μ；屈服強(qiáng)度σ_s；扭矩T；角度θ；螺栓彈性模量E_bolt；零件A彈性模量E_A；零件B彈性模量E_B；螺栓法蘭支承面外徑D₁；螺栓光桿直徑D₃；倒角C；螺栓通孔直徑D₂；螺栓公稱直徑D_bolt；螺栓螺距P；零件A厚度T_A；零件B厚度T_B；螺栓光桿長(zhǎng)度L₁；螺栓被連接件長(zhǎng)度L₂。

所述方法具體如下：

根據(jù)Hooke定理：

其中，σ為應(yīng)力、E為彈性模量、ε_e為彈性應(yīng)變、L為原長(zhǎng)、ΔL為變形量

①件A的剛度K_A：

其中，ΔL_A為零件A沿螺栓軸力方向的變形、S_A為零件A的受壓面積、F為預(yù)緊力、T_A為零件A厚度

$S_A=\frac{\mathrm{\π}\×\[D_1^2-{(D_2+2C)}^2\]}{4}---\left(3\right)$

②零件B的剛度K_B：

其中，ΔL_B為零件B沿螺栓軸力方向的變形、S_B為零件A的受壓面積

$S_B=\frac{\mathrm{\π}\×(D_1^2-{D_2}^2)}{4}.---\left(5\right)$

③螺栓光桿剛度K₁：

$K_1=\frac{F}{{\mathrm{\ΔL}}_1}=\frac{S_1\×E_{bolt}}{T_1}---\left(6\right)$

其中，T₁為螺栓光桿長(zhǎng)度、ΔL₁為螺栓光桿沿螺栓軸力方向的變形、S₁為螺栓光桿的橫截面積

$S_1=\frac{\mathrm{\π}\×D_3^2}{4}---\left(7\right)$

④螺栓被聯(lián)接螺紋剛度K₂：

$K_2=\frac{F}{{\mathrm{\ΔL}}_2}=\frac{S_2\×E_{bolt}}{T_2}.---\left(8\right)$

其中，T₂為被聯(lián)接螺紋等效長(zhǎng)度、ΔL₂為螺栓螺紋沿螺栓軸力方向的變形、S₂為螺栓螺紋的橫截面積,可查閱國(guó)標(biāo)GB/T 16823.1-1997。

由于螺栓頭和螺母的軸向剛度非常大，此時(shí)可作為剛體，即不考慮它們的變形量。

⑤螺栓聯(lián)接副的耦合剛度K_joint：

$\frac{1}{K_{jo\mathrm{int}}}=\frac{1}{K_A}+\frac{1}{K_B}+\frac{1}{K_1}+\frac{1}{K_2}.---\left(9\right)$

⑥假設(shè)在彈性范圍內(nèi)，則總變形量ΔL：

$\mathrm{\Δ}L=\frac{F}{K_{jo\mathrm{int}}}=\left|\frac{F}{K_A}\right|+\left|\frac{F}{K_B}\right|+\left|\frac{F}{K_1}\right|+\left|\frac{F}{K_2}\right|.---\left(10\right)$

根據(jù)旋轉(zhuǎn)θ轉(zhuǎn)角所產(chǎn)生的位移ΔL_θ：

${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{\mathrm{\θ}}{360}\×P---\left(11\right)$

因?yàn)樾D(zhuǎn)θ轉(zhuǎn)角所產(chǎn)生的位移ΔL_θ與總變形量ΔL相等，則

$F_{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{\θ}}\×K=\frac{\mathrm{\θ}}{360}\×P\×K_{jo\mathrm{int}}.---\left(12\right)$

⑦根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16823.2-1997中緊固力矩與預(yù)緊力的關(guān)系，求出密合力矩產(chǎn)生的預(yù)緊力F_f：

T_f＝T_s+T_w＝KF_fd (13)

其中，

$D_w=\frac{2}{3}\×\frac{D_1^3-D_2^3}{D_1^2-D_2^2}---\left(15\right)$

其中，T_f為螺栓聯(lián)接副扭矩、T_s為螺栓法蘭接觸面扭矩、T_w為螺栓螺紋接觸面扭矩、d為螺栓公稱直徑；

⑧扭矩+轉(zhuǎn)角法的總預(yù)緊力ΣF

ΣF＝F_f+F_θ (16)。

如圖1所示，以上總預(yù)緊力是在彈性假設(shè)下得到的計(jì)算值，因此，螺栓聯(lián)接副中每一個(gè)零部件承受的應(yīng)力均在彈性范圍內(nèi)，則此計(jì)算是適合的。若超過彈性范圍進(jìn)入塑性區(qū)則還需進(jìn)行以下計(jì)算：

參見圖2，首先在彈性假設(shè)下得到一個(gè)比實(shí)際大的虛假應(yīng)力和比實(shí)際小的虛假應(yīng)變(A點(diǎn)所示)，然后利用Remberg-Osgood彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系得到曲線OC，最后求解OCD面積與三角形OAB面積相等，得到真實(shí)的應(yīng)力σ′與應(yīng)變?chǔ)拧?C點(diǎn)所示)。然后根據(jù)hooke定律求出最終的預(yù)緊力F_θ。