杨溢 王凯 姚栓

摘 要：本文从正向设计开发角度，对储能器的紧固性能进行设计研究应用。通过有限元计算方法对储能器及安装板进行建模分析;通过载荷提取，得到储能器螺纹外载;通过VDI2230计算标准，对其紧固性能进行正向设计校核，得到储能器的设计摩擦系数、拧紧扭矩和夹紧力值。同时，本文为解决悬臂结构的紧固性能，提供了正向设计方法指导及经验借鉴。

关键词：紧固性能;正向设计;有限元法;载荷提取;VDI2230

1 引言

众所周知，螺纹紧固件是机械基础件中最廣泛采用的紧固联接件之一，它具有较强的通用性、可靠性、互换性，也是重要的安全联接之一。如果设计和选择不当，会导致联接松动、失效、损坏、泄露等故障出现，造成停机、停工、停产，甚至导致机毁人亡，发生重大人身财产损失，因此螺栓的紧固性能设计校核是极为重要的[2]。

储能器作为某型变速器上的一个主要设备，其作用是为某型变速器提供稳定的压力保证。储能器紧固结构为典型的悬臂结构，结构受到一附加弯矩左右，同时其内部有一定压力，在多个外载的共同作用下，其紧固性能的正向设计校核变得极为重要。本文将有限元与VDI2230结合应用，对储能器的紧固密封性能进行正向设计校核，为保证其紧固的可靠性提供重要支撑。

2 有限元模型建模及载荷提取

储能器结构右侧端面位置到安装板距离为L=140mm，储能器重量为2.8Kg，本次分析按照10倍重力计算分析，其结构如图1所示。

进行有限元建模，储能器重力为G=280N。材料及网格属性见表1。有限元模型及计算结果见图2。

通过螺栓外载荷，得到螺栓外载，其外载见表2。

3 VDI2230紧固性能正向设计校核

VDI2230作为紧固性能校核标准，已广泛应用于汽车制造、航空航天、工业制造等多个行业，其具有校核过程简单，经验指导性强，校核结果可靠性高等众多优点，以被大众、宝马、丰田、吉利等多家国内外汽车制造厂商作为紧固设计的首选标准。

3.1 紧固参数

储能器的螺栓为M33×1.5，啮合长度为14mm，设计拧紧扭矩为M=200Nm。其它紧固参数见表3。

3.2 设计校核流程

对储能器紧固性能进行设计校核，经测定夹紧面最小摩擦系数μTmin=0.1。

R1：拧紧系数αA

结合车间测定经验，得到电动扭矩扳手的拧紧系数为αA=1.3。

R2：最小夹紧力

a）摩擦夹紧传递横向力和扭矩：

b）密封计算：

c）防止张口计算：

因此。

R3：柔度、载荷系数

螺栓柔度：

夹紧件柔度：

同时：

R4：粗糙度导致的夹紧力损失

R5：最小安装夹紧力

R6：最大安装夹紧力

R7：摩擦系数下的最大夹紧力

ADC12其抗拉强度σb=215MPa，屈服强度σsl=138MPa。出在铝合金螺纹情况下，当M=200Nm，FM=25992N

R8：装配载荷

因此：满足要求。

R9：工作载荷

按照250Nm进行拧紧螺栓，对应的夹紧力FM=32491N。

R9：表面压应力

R10：防止滑动安全系数及抗剪强度

R11：拉脱力校核

按照已编辑表格计算得到：

R12：拧紧扭矩

通过以上校核得到，在，时，M=250Nm拧紧储能器，，紧固参数满足各项计算设计校核要求。

4 总结

本文通过某型变速器储能器的紧固性能正向设计，共完成以下几点主要工作：

（1）根据实际最严重工况，完成储能器的有限元仿真建模工作，得到紧固校核的模型建模方法;

（2）通过对螺纹的外载荷提取，得到螺纹外载;

（3）通过VDI2230螺栓紧固设计校核标准，完成储能器紧固性能校核，最终按照250Nm拧紧，可保证各项紧固参数满足设计要求。

本文通过结构有限元建模-螺栓载荷提取-VDI2230标准设计校核三大步骤，初步完成了悬臂结构的紧固性能的正向设计研究及应用，为后期同类型的紧固件性能设计校核提供方法指导及经验借鉴。

参考文献：

[1]VDI2230 第一部分 高强度螺栓连接的系统计算.

[2]酒井智次[日]著，柴之龙译.螺纹紧固件联接工程[M].机械工业出版社，2016.1.

[3]叶又，黄平.汽车紧固件实用技术手册[S].中国汽车工程学会汽车防腐蚀老化分会组编.中国质检出版社，2018.11.