摘要
我国传统汽车产品的螺纹联接一般基于经验设计，螺栓轴向夹紧力分散，联接可靠性较差，经常发生松动、断裂等质量问题。以往的研究表明，要有效的提高螺纹联接件的疲劳寿命和可靠性，提高螺纹联接的质量，关键在于控制合理的螺栓夹紧力大小。
受汽车轻量化要求及严格的排放限制。公司需对某汽车的2006款新车制动器总成中的转向节由球墨铸铁件改为铝合金铸造件。原先适用于球墨铸铁转向节的拧紧扭矩，已经不足以产生合适的夹紧力来保持原疲劳寿命要求了。同时由于原先的拧紧方法是通过扭矩控制的，其夹紧力的离散度太大，不利于质量控制。
因此，本文提出采用扭矩加转角的控制法来取代原先扭矩控制法，并建立起一种有效、可行的螺纹联接扭矩设计及试验验证方法。
整个研究内容包括：通过不同的试验方法研究了螺纹联接摩擦系数（不同镀层、表面状态、联接材料）及螺栓拧紧速度对螺栓夹紧力的影响程度；通过螺栓拧紧极限试验，建立螺纹联接的试验基准；引入威布尔函数分析方法对极限试验的结果分析，以确定拧紧过程的候选参数组合，并以此制造不同参数的试验样件；模拟整车的实际使用情况，搭建疲劳试验台架，对试验样件进行疲劳试验考核；再利用威布尔函数分析方法对疲劳试验结果作比较，最终筛选出最佳拧紧过程参数。
试验结果证明相比扭矩控制法，扭矩加转角控制法能更好控制夹紧力的大小，提高螺纹联接件质量及联接的疲劳寿命。
总之，通过本文的研究，建立起了一套行之有效的汽车关键零部件螺纹装配参数开发、验证的方法，能方便有效的确定扭矩加转角法的各项参数。为提高汽车关键零部件联接的可靠性，提高汽车行驶的安全性，打下良好基础。
There are a lot of bolt-joints failure problems based ontradition empirism design in automotive industrial. The properclamping force could overcome working load and improve the jointfatigue life.
For light weight requirement, we need to change the frontknuckle material from ductile iron to aluminum. So the oldstrategy of torque only should be re-designed to adapt thischange. In order to control the clamping force scatter, we alsowant to use torque adding angle to replace the old design(torqueonly).It should cover all torque development detail, such asparameter configuration, validation test and statistic method.
This paper studied the several factors impacting clampingforce included different friction coefficient of bolt-jointsurface and tightening speed.
The whole torque development process included setting updesign limit by torque to yield method, statistic analyse byWeibull function, torque process parameter configuration,validation test, setting up the bench test, etc.
The test result show the torque add angle control could bebetter than torque only control as of smaller scatter ofclamping force. This complete development process could behelpful to improve reliability in bolt joints of automotive keycomponents and driving safety.
引文
[1] 朱正德，螺栓断裂成因的探讨和分析，上海计量测试，2004年2月
[2] 沈家骅、刘宪成，我国高强度螺栓连接的现状与发展方向，钢结构，1999 年第3期
[3] 杨光华、杨光麟，螺纹联接拧紧技术，新技术新工艺，1994．年第l期
[4] 王启广，螺纹联接的夹紧力控制，煤矿机械，2001年6月
[5] 王艳忠，弹性极限拧紧技术及其应用，汽车工艺与材料，2002年4月
[6] 王成忠，拧紧技术运用的几个实际问题，汽车科技，1998年8月
[7] 李世云，螺栓联接中夹紧力大小的确定，丹东纺专学报，2001年3月
[8] 冯利民、李雁凌、王玉琴、张玉琴，对螺栓联接夹紧力的探讨，河南冶 金，2001年8月
[9] 姜雪鹰、冯小氛，确定螺栓联接夹紧力的新方法，机械设计与制造，1996 年1月
[10]吕伟等，摩擦系数与螺栓拧紧力矩系数关系的探讨，沈阳航空工业学院学 报，1998年12月
[11]李俊，关于HB 6999的修订及其实施，航空标准化与质量，2003年1月
[12]林湖、朱正德、陈强努、周银龙，螺栓装配技术中扭矩法与转角法比较研 究，汽车工艺与材料，2003年9月
[13]曾增强，林水福，螺栓拧紧力矩系数的影响因素研究，航空工艺技术， 1994年4月
[14]马显军，螺纹紧固件安装质量与拧紧力矩的分析研究，航空标准化，1998 年6月
[15]沈桂英，螺栓拧紧力矩的计算，油田地面工程，1994年6月
[16]曹增强、佘公藩、林水福，螺栓连接当量摩擦系数的试验研究，机械科学 与技术，1994年1月
[17]熊云奇、张琼敏等，螺栓拧紧试验曲线形态研究，汽车科技，200年5月
[18]曲璇中，润滑对钛合金螺栓拧紧力矩的影响，航天标准化，2003年第2期
[19]朱正德，螺栓拧紧的统计过程控制，现场方法与实践，2003年1月
[20]徐建新，螺栓连接件剪切疲劳寿命分散性试验研究，南京航空航天大学学 报，2000年2月
[21]孙宝章、戴文斌、左运发，螺栓拧紧方法分析与应用，沈阳建筑工程学院 学报(自然科学版)，2002年10月
[22]刘建文，螺纹联接及拧紧技术，汽车工艺与材料，1999年第7期
[23]张家全，装配扭矩的控制方法及其在线检测，汽车工艺与材料，2000年第 l期
[24]朱正德、林湖，扭矩一转角法拧紧工艺条件下的装配质量评价，试验介 绍，2003年3月
[25] Kei Sawata·Motoi Yasumura Estimation of yieid and uitimate strengths of bolted timber joints bynonlinear analysis and vieid theory，The Japan Wood Research Society 2003
[26]刘修艳，M22X120mm高强度螺栓断裂分析，机车车辆工艺，2004年10月
[27] Cs i l la ERD"OS—SELLEY，FE MODELLING OF THE MOUNTING PROCESS OF MEL'AL SCREW AND COMPOSITE PART，PERIODICA POLYTECHNICA SER．MECH． ENG．VOL．48，NO．2，PP．133—143(2004)
[28]尹成江、管建军，QTK40型塔机螺栓断裂原因分析，工程机械，2005年12 月
[29] w．F．Stanley、M．A．McCarthy、 V．P．Lawlor，MEAsuREMENT OF LDAD DISTRIBUTION IN MULTI—BOLT，COMPOSITE JOINTS，IN THE PRESENCE OF VARYING CLEARANCE，Journal of Plastics，Rubber and Composites，The Institute of Materials，London，UK，V01．31，No．9，PP．412—418．
[30]屈丽娟、李毅民，高强度螺栓在工程应用中的注意点，起重运输机械， 2005年12月
[31]程红伟，提高螺栓联接强度的措施，煤炭技术，2004年3月
[32]董利萍、钱民等，浅谈高强度螺栓的连接，油气田地面工程，2004年1月
[33]贾贤安、李昊、袁皖安，高强度螺栓扭矩系数影响因素的实验研究，机 械，2004年第31卷增刊
[34]陈友泉，高强度螺栓连接的应用问题探讨，钢结构，2004年第4期
[35]刘德鑫，高强螺栓“螺母转角法”施工工艺，河北电力技术，2004年第l 期
[36]朱若燕、李厚民，高强度螺栓的夹紧力及疲劳寿命，湖北工学院学报， 2004年6月
[37]林湖、朱正德、陈强努、周银龙，螺栓装配技术中扭矩法与转角法比较研 究，汽车工艺与材料，2003年第9期
[38]彭小平，紧螺栓联接的可靠性设汁方法，现代制造工程，2004(5)
[39]李维荣、朱家诚，螺纹紧固件防松技术探讨，机电产品开发与创新，2003 年第2期
[40]项忠霞、董刚、林孟霞、沈兆光、戴立姿，螺纹联接防松方法的评述，机 械设计，1996年第1l期
[41]杨锡和、石辉，螺纹联接的耐久性及防松措施，雷达与对抗，2002年第l 期
[42]李贵轩、李建辉，螺纹联结的松动分析与防松措施，煤矿机械，2003年第 10期
[43]阎淑芳，防止螺栓联接失效的计算方法，科技情报开发与经济2003年第l 期
[44]喻全余、余雷，用改进的一次二阶矩法求螺栓联接的可靠度，安徽工程科 技学院学报，2003年3月
[45]张琼敏，发动机缸盖螺栓拧紧工艺研究，汽车科技，2003年2月
[46]陈敏，柔性螺栓设计计算方法探讨，四川轻化工学院学报，2003年3月
[47]张伟、李连东、王淑娥，控制螺栓把紧力的两种计算方法，中国修船， 2003年第2期
[48]徐根林、蔡瑞华，轿车车轮固定螺栓断裂原因分析及T艺研究，T具技 术，2002年第36卷
[49]钟贤栋、刘好，基于被联接件刚度非恒值夹紧力的确定，煤矿机械，2002 年第5期
[50]宋荣生，螺纹联接轴向夹紧力试验分析，天津理工学院学报，2001年9月
[51]刘建文，螺栓夹紧力一扭矩图及其应用，汽车工艺与材料，2001年7月
[52]徐爱莉、刘光启，机械螺栓联接的夹紧力与疲劳强度，锻压机械，1996年 4月
[53]Q.Zou、T．S．Sun、S．Nassar，Contact Mechanics Approach to Determine Effective Radius inBolted Joints，ASME，V01． 127，JANUARY 2005
[54]Terry F．Lehnhoff、Bradley A．Bunyard，Effects of Bolt Threads on the Stiffness of Bolted Joints，ASME Journal of Pressure Vessel Technology，MAY 2001，V01．123 to 161
[55]Kazuya Mori、Shinji Hashimura，A New Tightening Method for Bolted Joints by the Simultaneous Application of Torque and Compressive Force，SAE Paper 200 1—01—0978
[56]R．I．Stephens，N．J．Bradley，N．J．Horn，J．J．Gradman，
[57]J．M．Arkema and C．S．Borgwardt，Fatigue of High Strength Bolts Roiled Before or After Heat Treatment with Five Different Preload LevelS，SAE Paper 2005-01-132l
[58]Toshiyuki Sawa and Hiroshi Yamanaka，Experimental Evaluation of Screw Thread Loosening in Bolted Joints with Some Parts and Analytical Approach of Loosening Mechanism of the Joints Under Repeated Transverse Loadings，SAE Paper 2006一01—0988
[59]Toshiyuki Sawa，New Design Formula for Bolted Joints under Tensile Loads，SAE Paper 2006-01-0989
[60]Sayed A．Nassar and Ali A．Alkelani，Effect of Tightening Speed on Clamp Load Distribution in Gasketed Joints，SAE Paper 2006—01-1250
[61]Young Chiang，Mult i-variable Effects of Fastening Parameters on Stress Development at Bolt Threads，SAE Paper 2006-01—1253
[62]L．Zeng and L．Haylock.Effects of Coating Tribology on Fastener Single and Double Shear Strength，SAE Paper 2006一01—3155
[63]L．Zeng，E．Monserratt，L．Haylock，R．H．Gurrola and D． Youngblood，Evaluation of Alternatives to Electrodeposited Cadmium for Threaded Fastener Applications，SAE Paper 2006—0l一 3169
[64]Victoria Vallecillos，Diego P4rez Marfn and Juan Ram6n Astorga， New Concept of Artificial Vision System Applicability to Measure and Control the Oual ity of Automated Fastening，SAE Paper 2006— 0l一3175
[65]Alexander Vevasis、Mohammed Siddiqui，Evaluating Designed Gap Closure Effect on Joint Preload，SAE Paper 2003—01—1208
[66]Dustin S．Aldridge，Component and System Life Distribution Prediction Using Weibull and Monte Carlo AnalysiS with Reliability Demonstration Implications for an E1ectroniC Diesel Fuel Injector，SAE Paper 2003—0l一1363
[67]Kazuya Mori、Shinji Hashimura，A New Tightening Method for Bolted Joints by the Simultaneous Application of Torque and Compressive Force，SAE Paper 200 1—0l一0978E68]周家泽、管昌生，机械零件随机疲劳载荷的统计分析方法，襄樊职业技术 学院学报， 2003年8月第2卷第4期
[69]邬华芝、郭海丁、高德平，疲劳破坏寿命的概率统计方法研究综述，强度 与环境，2002年12月，第29卷第4期
[70]林文强，谢里阳，随机疲劳可靠度预测的状态分析方法研究，航空学报， 2003年11月
[71]张建宇、赵丽滨、费斌军、刘文王廷，谱载荷下疲劳裂纹扩展随机规律的 实验研究，实验力学，2000年3月
[72]林文强，谢里阳，随机疲劳可靠度预测的状态分析方法研究，航空学报， 2003年11月
[73]吕文阁、谢里阳，一种随机载荷作用下疲劳可靠性估算的新方法，农业机 械学报，2000年1月
[74]Carl D．Tarum，Classification and AnalysiS of Weibull Mixtures，SAE Paper 1999—0l一0055
[75]Carl D．Tarum，Determination of the Critical Correlation CoeffiCient to Establish a Good Fit for Weibull and Log—Normal Failure Distributions．SAE Paper 1999—0l一0057
