CN113673048A - 螺栓及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种螺栓设计方法，包括：根据拧紧待设计螺栓的目标力矩计算待设计螺栓的预紧力；根据待设计螺栓的预紧力计算该待设计螺栓的伸长量；获取该待设计螺栓以目标力矩拧紧后接触于被连接目标物的螺栓头部的第一端面，与接触于被连接目标物的螺母的第二端面之间的第一距离；确定待设计螺栓的光杆长度为第一距离和该待设计螺栓的伸长量的绝对差。上述螺栓设计方法，通过确定对应于目标力矩的待设计螺栓的伸长量和螺栓头部端面与螺母端面间的第一距离，确定待设计螺栓的光杆长度。在装配螺栓时，只需控制拧紧螺母直至靠近光杆的螺纹部分正好被螺母覆盖，此时待设计螺栓的拧紧力矩即为目标力矩，使拧紧待设计螺栓的力矩更精准。

Description

螺栓及其设计方法
技术领域
本申请涉及汽车技术领域，特别是涉及一种螺栓及其设计方法。
背景技术
蓄电池作为汽车中必不可少的部分，在装配时需要将蓄电池通过螺栓固定于支架。装配过程中，为了防止蓄电池安装不牢，通常采用较大的扭矩以保证连接可靠性。
然而，过大的扭矩会导致对蓄电池压紧力变大，从而使蓄电池壳体产生变形或压溃失效，存在安全隐患。
发明内容
基于此，有必要针对蓄电池壳体螺栓扭矩难以控制的问题，提供一种使拧紧螺栓的力矩更精准的螺栓及其设计方法。
根据本申请的一个方面，提供一种螺栓设计方法，包括：
根据拧紧待设计螺栓的目标力矩计算待设计螺栓的预紧力；
根据待设计螺栓的预紧力计算该待设计螺栓的伸长量；
获取该待设计螺栓以目标力矩拧紧后接触于被连接目标物的螺栓头部的第一端面，与接触于被连接目标物的螺母的第二端面之间的第一距离；
确定待设计螺栓的光杆长度为所述第一距离和该待设计螺栓的伸长量的绝对差。
上述螺栓设计方法，通过确定对应于目标力矩的待设计螺栓的伸长量，并根据目标力矩下被连接目标物变形后螺栓头部端面与螺母端面间的第一距离，将螺栓光杆长度确定为第一距离与待设计螺栓的伸长量的绝对差，使以目标力矩拧紧待设计螺栓后，伸长后的待设计螺栓的光杆长度等于压紧后的被连接目标物分别接触于螺栓头部与螺母的两端的距离。这样，在装配螺栓时，只需拧紧螺母直至靠近光杆的螺纹部分正好被螺母覆盖，此时待设计螺栓的拧紧力矩即为目标力矩，使拧紧待设计螺栓的力矩更精准。
在其中一实施例中，所述拧紧待设计螺栓的目标力矩为所述被连接目标物与该待设计螺栓锁紧时所述被连接目标物所承受的临界力矩。
在其中一实施例中，所述根据拧紧待设计螺栓的目标力矩计算待设计螺栓的预紧力具体包括：
根据公式F＝T÷K÷d计算待设计螺栓的预紧力F；
其中，T为拧紧待设计螺栓的目标力矩，K为拧紧力矩系数，d为待设计螺栓外径。
在其中一实施例中，所述拧紧力矩系数K为0.17或0.18。
在其中一实施例中，所述伸长量为待设计螺栓以目标力矩拧紧后的第一长度和待设计螺栓未受到拧紧力矩的第二长度的绝对差。
在其中一实施例中，所述根据待设计螺栓的预紧力计算该待设计螺栓的伸长量具体包括：
根据公式ΔL＝F×L÷E÷S计算待设计螺栓的伸长量ΔL；
式中，F为待设计螺栓的预紧力，L为待设计螺栓的有效计算长度，E为待设计螺栓材料的弹性模量，S为待设计螺栓的应力面积。
在其中一实施例中，所述获取该待设计螺栓以目标力矩拧紧后接触于被连接目标物的螺栓头部的第一端面，与接触于被连接目标物的螺母的第二端面之间的第一距离具体包括：
获取初始状态下被连接目标物的厚度和以目标力矩拧紧待设计螺栓后该被连接目标物的变形量；所述初始状态为被连接目标物未受到拧紧力矩时的状态；
确定所述第一距离为被连接目标物的厚度与所述被连接目标物的变形量的差值。
在其中一实施例中，所述被连接目标物的厚度为所述初始状态下，接触于所述被连接目标物的螺栓头部的第一端面，与接触于所述被连接目标物的螺母的第二端面之间的第二距离。
根据本申请的另一个方面，提供一种螺栓，为采用如上述任一项实施例所述的螺栓设计方法设计的所述螺栓。
在其中一实施例中，所述螺栓包括光杆与螺纹部分；
所述光杆的直径大于所述螺纹部分的公称直径。
附图说明
图1为本申请一实施例中螺栓设计方法的流程框图；
图2为本申请一实施例中螺栓的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
目前，一些零部件受到过大的压力时易出现变形或压溃失效，当使用螺栓固定这些零部件时，需要严格控制拧紧力矩的大小。例如，将蓄电池固定于汽车支架时，通常采用较大的扭矩以保证连接可靠性，但过大的局部压强使蓄电池壳体失效。针对上述问题，装配过程中操作人员使用定扭扳手拧紧螺栓，然而，现有的扭矩扳手的扭矩范围通常覆盖不到20Nm以下，无法实现对较小扭矩的控制。
因此，有必要提供一种使拧紧螺栓的力矩更精准的螺栓及其设计方法。
图1为本申请一实施例中螺栓设计方法的流程框图。
参阅图1，本申请一实施例中的螺栓设计方法，包括：
S110：根据拧紧待设计螺栓的目标力矩计算待设计螺栓的预紧力。
具体地，拧紧待设计螺栓的目标力矩为使被连接目标物与该待设计螺栓锁紧时被连接目标物所承受的临界力矩。需要说明的是，临界力矩为使被连接目标物相对该待设计螺栓固定且不出现损坏的最小力矩与最大力矩之间的任意值。一些实施例中，被连接目标物包括蓄电池外壳与支架，蓄电池外壳通过待设计螺栓与支架固定连接。由于相同条件下，蓄电池外壳的变形量远远大于支架的变形量，因此可通过实验测得将蓄电池外壳固定且不出现损坏时蓄电池外壳承受的临界力矩，并将蓄电池外壳承受的临界力矩作为拧紧待设计螺栓的目标力矩。需要说明的是，由于蓄电池外壳可采用多种不同材质，且不同材质的材料性质不同，用户可根据需求选择蓄电池使用的材料，并对该材料承受的临界力矩进行测定。
预紧力为拧紧待设计螺栓的过程中，在拧紧力矩的作用下，待设计螺栓与被连接目标物之间产生的沿待设计螺栓轴线方向的力。该过程中，螺母拧紧使待设计螺栓被拉伸发生弹性变形，这种变形产生了轴向拉力，将被连接目标物夹紧，从而保证连接处的刚度和可靠性，防止连接处松动。待设计螺栓的预紧力与待设计螺栓的拧紧力矩、螺纹处的摩擦力以及待设计螺栓和螺母与被连接目标物之间的摩擦力有关。用户通过向待设计螺栓施加合适的拧紧力矩，即目标力矩，使预紧力处于适当的范围内，防止待设计螺栓的预紧过载或不足。
一些实施例中，根据拧紧待设计螺栓的目标力矩计算待设计螺栓的预紧力具体包括：根据公式F＝T÷K÷d计算待设计螺栓的预紧力F；式中，T为拧紧待设计螺栓的目标力矩，K为拧紧力矩系数，d为待设计螺栓外径。其中，K根据待设计螺栓的表面处理状态、润滑条件以及连接件材料取值。一些实施例中，拧紧力矩系数K为0.17或0.18。
一些实施例中，采用M8螺栓，计算出不同的目标力矩下待设计螺栓的预紧力：
Figure BDA0003195837830000061
S120：根据待设计螺栓的预紧力计算该待设计螺栓的伸长量。
其中，伸长量为待设计螺栓以目标力矩拧紧后的第一长度和待设计螺栓未受到拧紧力矩的第二长度的绝对差。由于待设计螺栓被拧紧后，待设计螺栓的伸长量只与待设计螺栓的应力有关，与摩擦因数和被连接目标物变形等因素无关，而拧紧过程中待设计螺栓在预紧力的作用下产生拉伸变形，因此通过待设计螺栓的伸长量与预紧力之间的线性关系，确定待设计螺栓的伸长量。
具体地，根据待设计螺栓的预紧力计算该待设计螺栓的伸长量具体包括：
根据公式ΔL＝F×L÷E÷S计算待设计螺栓的伸长量ΔL，F为待设计螺栓的预紧力，L为待设计螺栓的有效计算长度，E为待设计螺栓材料的弹性模量，S为待设计螺栓的应力面积。其中，待设计螺栓的有效计算长度为被连接目标物的厚度。
一些实施例中，计算出待设计螺栓的伸长量如下：
Figure BDA0003195837830000071
S130：获取该待设计螺栓以目标力矩拧紧后接触于被连接目标物的螺栓头部的第一端面，与接触于被连接目标物的螺母的第二端面之间的第一距离。
具体地，该步骤包括：
S131：获取初始状态下被连接目标物的厚度和以目标力矩拧紧待设计螺栓后该被连接目标物的变形量，初始状态为被连接目标物未受到拧紧力矩时的状态。
进一步地，被连接目标物的厚度为初始状态下，接触于被连接目标物的螺栓头部的第一端面，与接触于被连接目标物的螺母的第二端面之间的第二距离。一些实施例中，被连接目标物包括蓄电池外壳和支架，被连接目标物的厚度为待连接处的支架厚度与蓄电池壳体厚度之和。
被连接目标物的变形量为被连接目标物未受到拧紧力矩时的第一厚度与被连接目标物受到拧紧力矩后的第二厚度的绝对差。
S132：确定第一距离为被连接目标物的厚度与被连接目标物的变形量的差值。
可以理解的是，待设计螺栓被拧紧的过程中，在拧紧力矩作用下，被连接目标物受到来自螺栓头部和螺母的压紧力，并产生形变，因此，该变形量为初始状态下第二端面与第一端面间的第二距离与拧紧待设计螺栓后第二端面与第一端面间的第一距离之差。其中，被连接目标物的变形量与被连接目标物的材质有关，用户选取一种材质的被连接目标物样品，通过测量得到以目标力矩拧紧待设计螺栓后被连接目标物的变形量，该变形量可应用于同样材质的被连接目标物的计算过程。
S140：确定待设计螺栓的光杆长度为第一距离和该待设计螺栓的伸长量的绝对差。
需要说明的是，通过将待设计螺栓的光杆长度确定为第一距离和该待设计螺栓的伸长量的差值，在拧紧待设计螺栓的过程中，操作人员将螺母拧至使螺母正好覆盖连接于螺栓光杆一端的螺纹部分，此时待设计螺栓伸长的长度正好为待设计螺栓的伸长量；由于待设计螺栓的伸长量对应于拧紧待设计螺栓的目标力矩，因此此时的拧紧力矩即为目标力矩，该螺栓设计方法使拧紧螺栓的力矩更精准。
图2为本申请一实施例中螺栓的结构示意图。
如图2所示，本申请还提供一种螺栓，为采用如上述任一项的螺栓设计方法设计的螺栓。
一些实施例中，如图2所示，螺栓包括光杆1与螺纹部分2，光杆1的直径大于螺纹部分2的公称直径。通过设置光杆1的直径大于螺纹部分2的公称直径，使拧紧待设计螺栓的过程中，用户通过将螺母拧紧至使螺母或被连接目标物接触于光杆1，从而实现使拧紧力矩为目标力矩。其中，光杆1起到防止螺母过度拧紧的限位作用，提高操作便捷性并减少装配时间。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种螺栓设计方法，其特征在于，包括：
根据拧紧待设计螺栓的目标力矩计算待设计螺栓的预紧力；
根据待设计螺栓的预紧力计算该待设计螺栓的伸长量；
获取该待设计螺栓以目标力矩拧紧后接触于被连接目标物的螺栓头部的第一端面，与接触于被连接目标物的螺母的第二端面之间的第一距离；
确定待设计螺栓的光杆长度为所述第一距离和该待设计螺栓的伸长量的绝对差。
2.根据权利要求1所述的螺栓设计方法，其特征在于，所述拧紧待设计螺栓的目标力矩为所述被连接目标物与该待设计螺栓锁紧时所述被连接目标物所承受的临界力矩。
3.根据权利要求1所述的螺栓设计方法，其特征在于，所述根据拧紧待设计螺栓的目标力矩计算待设计螺栓的预紧力具体包括：
根据公式F＝T÷K÷d计算待设计螺栓的预紧力F；
其中，T为拧紧待设计螺栓的目标力矩，K为拧紧力矩系数，d为待设计螺栓外径。
4.根据权利要求3所述的螺栓设计方法，其特征在于，所述拧紧力矩系数K为0.17或0.18。
5.根据权利要求1所述的螺栓设计方法，其特征在于，所述伸长量为待设计螺栓以目标力矩拧紧后的第一长度和待设计螺栓未受到拧紧力矩的第二长度的绝对差。
6.根据权利要求1所述的螺栓设计方法，其特征在于，所述根据待设计螺栓的预紧力计算该待设计螺栓的伸长量具体包括：
根据公式ΔL＝F×L÷E÷S计算待设计螺栓的伸长量ΔL；
式中，F为待设计螺栓的预紧力，L为待设计螺栓的有效计算长度，E为待设计螺栓材料的弹性模量，S为待设计螺栓的应力面积。
7.根据权利要求1所述的螺栓设计方法，其特征在于，所述获取该待设计螺栓以目标力矩拧紧后接触于被连接目标物的螺栓头部的第一端面，与接触于被连接目标物的螺母的第二端面之间的第一距离具体包括：
获取初始状态下被连接目标物的厚度和以目标力矩拧紧待设计螺栓后该被连接目标物的变形量；所述初始状态为被连接目标物未受到拧紧力矩时的状态；
确定所述第一距离为被连接目标物的厚度与所述被连接目标物的变形量的差值。
8.根据权利要求7所述的螺栓设计方法，其特征在于，所述被连接目标物的厚度为所述初始状态下，接触于所述被连接目标物的螺栓头部的第一端面，与接触于所述被连接目标物的螺母的第二端面之间的第二距离。
9.一种螺栓，其特征在于，为采用如权利要求1-8任一项所述的螺栓设计方法设计的螺栓。
10.根据权利要求9所述的螺栓，其特征在于，所述螺栓包括光杆与螺纹部分；
所述光杆的直径大于所述螺纹部分的公称直径。
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