螺纹紧固件设计手册
1. 螺纹紧固件设计概述
螺纹紧固件依据头部、杆部、尾部及螺纹形式的不同，有非常多的种类；同时，螺栓/螺母的强度等级及表面处理也是多种多样的，工程师将依据需求来选择、设计紧固件。
一个完整的设计，需要进行如下设计校核：
1）螺纹连接轴向预紧力设计计算
2）螺栓规格及强度等级选择
3）配合螺母的等级及内螺纹啮合长度确定
4）螺栓长度确定
5）表面处理选择
6）头部形式及装配空间确认
7）装配工艺试验验证
2. 螺纹连接预紧力设计计算
螺栓/螺母连接是通过完成装配后，产生一定的轴向预紧力，来保证被连接件的固定，或传递载荷或密封等功能。在设计选择螺栓/螺母时，对于关键的联结部位，首先必须确认需要螺栓提供的轴向预紧力的范围。
在确定预紧力时，应考虑下列因素：
——最小预紧力满足功能要求
——最大等效应力不超过螺栓的破坏应力
——螺栓的应力幅不超过疲劳极限
——联接体装配后的变形
下面是一些常见的连接形式中，最小轴向预紧力的计算：
（1）螺栓的轴向力FKQ通过配合面产生的静摩擦力，用以传递切向载荷FQ或扭矩MY，q为配合面数量。
μΤ：配合面的摩擦系数
ra：摩擦半径，对于车轮螺栓为PCD/2
（2）螺栓的轴向力FKp用于提供保证密封所需的压力
Fkp=AD•Pi
Pi：密封介质的压强
AD：密封面积
（3）防止张开所需的轴向力FV，在有轴向外力FA作用时，被联接件仍留有一压力FKR 。
图2 轴向外力在螺纹联结体上的分布图
同时还要考虑工作中预紧力的变化ΔF：
* 材料压陷或松弛,预紧力减小FZ
* 由于温度变化,在螺栓和被连接件间产生热膨胀差,导致预紧力发生变化ΔFvth
综合考虑上述所有因素，所需的螺栓最小轴向力
Fmin=FKQ+FKP+FV+ΔF （1）
3. 螺栓规格及强度等级确定
螺栓在装配拧紧时，处于拉扭符合的应力状态，其屈服轴力和破坏轴力都小于单纯拉伸时螺栓的载荷。
对于采用扭矩法拧紧的连接，螺栓的等效应力最大可到屈服点90%，螺栓能承受的最大轴向预紧力FMzul与螺纹副的摩擦系数μG有关，表1为常用螺栓的保证载荷、最小拉力载荷及允许的最大装配轴力（等粗杆螺栓）。
（2）
D2—螺纹中径
D0—螺杆部最小截面直径
μG——螺纹副摩擦系数
表1 螺栓强度等级、保证载荷、最小拉力载荷及允许的最大装配轴力（等粗杆螺栓）
螺纹规格 | 强度等级 | 保证载荷（kN） | 最小拉力载荷（kN） | 允许的最大装配轴力（kN） | |
μG= | μG= | ||||
M6 | |||||
M8 | |||||
M8×1 | |||||
M10 | |||||
M10×1 | |||||
M10× | |||||
M12 | |||||
M12× | |||||
M12× | |||||
M14 | |||||
M14× | |||||
对于M6以上的螺纹，有粗牙和细牙之分，下表列出了各自的优劣势。可依据需求选用。
依据螺栓需要提供的最小轴向预紧力，考虑到将要采用的装配工艺和工具，对可能产生的最大轴向力Fmax进行粗略估计，对于扭矩控制拧紧，Fmax∕Fmin=；对于扭矩转角控制拧紧，Fmax∕Fmin=。
可能产生的最大轴向力Fmax必须小于螺栓装配时允许的最大装配轴力FMzul。
4. 配合螺母的等级及内螺纹啮合长度
螺纹连接件强度匹配设计原则是，在超拧时失效型式应是螺杆断裂，因为内螺纹的破坏不易发现，且内螺纹的损坏带来的损失较大。
螺栓螺钉的强度主要是由材料及热处理的工艺决定，标准的等级有、.、、、、等[1]。
但内螺纹的强度不只是与材料及热处理的工艺有关，同时还与螺纹连接长度有关。标准的螺母的强度等级有4、5.、6、8、10、12等[2]、[3]。
对于螺母的选择，需要螺母的保证载荷大于螺栓，按2表来选择。
表2 螺栓/螺母等级匹配
螺纹规格 | 螺栓性能等级 | 螺母性能等级 |
＞M16 |
| 4 |
≤M16 |
| 5 |
≤M39 |
| |
≤M39 | 6 | |
≤M39 | 8 | |
≤M16 | 9 | |
≤M39 | 10 | |
≤M39 | 12 | |
注：性能等级高的螺母可替换性能等级低的螺母。 | ||
对于在零件上带螺纹孔的设计，需要合理的设计螺纹的啮合长度，以保证装配螺栓时，内螺纹有足够的强度来匹配。下表是各种内螺纹材料所需的最小啮合长度。
表3 各种内螺纹材料所需的最小啮合长度
内螺纹（粗牙） | 最小啮合长度（螺栓等级不超过） | |
材料 | 最小抗拉强度（硬度HBW） | |
渗碳钢、调质钢 | 1000N/mm2（315HBW） | |
调质钢、抗磨硬化钢 | 800N/mm2（250HBW） | d |
低合金钢、碳素钢 | 400N/mm2（120HBW） | |
可锻铸铁 | 550N/mm2（180HBW） | |
球化铸铁 | 500N/mm2（170HBW） | |
球化铸铁 | 400N/mm2（140HBW） | |
灰铁 | 250N/mm2（180HBW） | |
铝镁铸造合金 | 80HBW | d（级） d（级） |
60HBW | d（不超过级） | |
注：对于细牙螺纹，啮合长度需增加20%。
5. 螺栓长度
1）螺栓有效长度不能太短：至少保证完整螺纹伸出螺母2-3牙（倒角不算完整螺纹）；对于被连接件带有内螺纹的，螺栓的长度要保证上一章节中的啮合长度。
2）螺栓总长L不能太长：螺栓不与其他零件产生干涉。
6. 表面处理
依据螺栓/螺母所处的环境、位置及功能要求，选择表面处理类别及颜色等。
常用类别
紧固件常用的表面处理类别有电镀锌、电镀锌镍、锌铝涂覆，主要技术要求见表4。
表4 紧固件常用表面处理
电镀锌 | 电镀锌镍 | 锌铝涂覆 | |||||||
标准 | |||||||||
代号 | |||||||||
颜色 | 银黄色 | 黑色 | 银色 | 黑色 | 银色 | 黑色 | 银色 | 黑色 | |
耐腐蚀性 | 96H 白锈/ 240H 红锈 | 120H 白锈/ 720H 红锈 | 480 H 红锈 | 720 H 红锈 | |||||
膜厚（μm） | 8-15 | 8-15 | ≥8 | ≥10 | |||||
摩擦系数μ | 如果需要， | ||||||||
适用 | 1.强度等级≤级的螺栓，≤10级的螺母 | 1.强度等级≤级的螺栓，≤10级的螺母 2.温度载荷增加至150℃ 3.适用与铝材料连接 | 1.特别适用高强度螺栓/螺母 2.温度载荷增加至180℃ | ||||||
不适用 | 不适用持续温度高于100℃的环境 | 不适用与镁材料连接 | 1. 不适用有导电性要求的零件 2. M6以下的螺栓/螺母及内槽螺钉 | ||||||
6.2 设计规则
依据紧固件的使用部位及功能要求，按下面的要求进行设计。
对于≥级高强度螺栓，除非外观有特殊要求，表面处理采用锌铝涂覆；
对于可视件，除非高强度螺栓，表面处理采用电镀锌或电镀锌镍。
表5 各部位紧固件耐腐蚀性要求
车辆部位 | 零件安装位置 | 盐雾试验时间（小时），红锈 | |
一般件 | 可视件 | ||
底盘 | 所有位置 | 480 | 720 |
发动机仓 | 如有飞溅或高温区（≥100℃） | 480 | 720 |
其他位置 | 240 | 480 | |
车身外部 | 所有位置 | 240 | 720 |
乘客仓 | 所有位置 | 240 | 480 |
对于可视件，其外观颜色需考虑与周围颜色的匹配。与铝制件或浅色件匹配的零件采用银色，与黑色塑料或油漆件匹配的采用黑色，如有多种色调，紧固件采用黑色。
对于接地螺钉，为了保证良好的导电性，只能用透明的钝化剂。
7. 头部形式及装配空间
螺栓/螺母通常头部选用六角法兰面或六角头，依据装配时产生的最大轴向力计算支撑面承受的最大压应力，不能超出支撑面的抗压极限。
同时需要考虑装配空间是否足够。表6是一般的需求。
如果确认装配空间有问题，可采用内六角或内六花头部形式。
表6 六角头对边宽度与需要的装配空间
六角头对边宽度Hex Opening | 套筒外径 Socket OD | 所需空间的直径Space Required (Diameter) |
8 | 26 | |
10 | 30 | |
13 | 33 | |
12 | 32 | |
15 | 37 | |
14 | 36 | |
18 | 40 | |
17 | 39 | |
21 | 48 | |
19 | 46 | |
24 | 51 | |
8. 装配工艺参数的确定
装配工艺确定的关键两点：装配产生的最小轴向预紧力满足功能要求、最大不能超出螺栓允许的载荷。
螺纹紧固件的装配方法有为扭矩法、扭矩转角法及扭矩率控制法。
扭矩转角法及扭矩率控制法可以更好的控制螺栓的装配轴向力，更高的利用螺栓的强度，但对设备的要求也较高。多用在发动机或底盘的关键连接部位。
扭矩法控制是最为常用的装配工艺，公式（3）是典型的连接中装配扭矩MA与装配预紧力FV的关系。
依据螺纹的尺寸规格、强度等级及摩擦系数范围，可确定螺栓的最大允许装配力矩。
对于沉头
MG/MK——螺纹副/头下摩擦面分配的力矩，MA=MG+MK
μG/μK——螺纹副/头下摩擦面摩擦系数
μges——螺栓综合摩擦系数，μges=（μG+μK）/2
P/d2——螺纹螺距/中径
下表是按照理论公式计算得到的六角螺栓在不同的摩擦系数下的允许使用的最大预紧力和最大装配扭矩。
表7 ISO米制粗牙六角螺栓（等粗杆）
表8 ISO米制细牙六角螺栓（等粗杆）
必须强调的是，对于关键的连接部位，装配力矩必须通过设计计算及装配工艺模拟试验，确认装配工艺满足设计轴向力要求。
对于一般的螺栓螺母连接，初始释放动态扭矩值时可以采用以下表格推荐的扭矩，经台架试验或路试，验证无问题时，可作为正式动态扭矩释放。
表9 推荐装配扭矩
螺纹规格 | 推荐装配扭矩（Nm） | ||
级 | 级 | 级 | |
M4 | / | ||
M5 | 3-4 | 5-7 | 6-9 |
M6 | 5-7 | 7-10 | 8-12 |
M8 | 10-15 | 19-25 | 26-34 |
M10 | 22-28 | 40-50 | 50-65 |
M12 | 38-45 | 75-90 | 90-110 |
M14 | / | 110-135 | 140-170 |
M16 | / | 160-200 | 230-270 |
对于自攻螺钉的装配力矩，最大装配扭矩不能超过其规定破坏力矩的75%。
表10 自攻螺钉的最小破坏力矩
自攻螺钉规格 SIZE | 最小破坏力矩 Minimum breake torqur（Nm） |
10 | |
9 螺纹连接中常见的失效形式及预防措施
下表列出了螺纹连接中常见的失效形式主要的失效原因，及从设计的角度采取的预防措施。
表11
失效形式 | 失效原因 | 预防措施—设计考虑 |
装配中螺栓拉长、断裂 | 1. 螺栓强度、摩擦系数、装配扭矩不匹配 2. 螺栓强度、摩擦系数、装配扭矩未满足规范要求 | 螺栓强度、摩擦系数、装配扭矩匹配 |
装配中内/螺纹滑牙 | 1. 内螺纹啮合长度不足 2. 内螺纹强度低 3. 内/外螺纹尺寸超差 | 螺纹啮合长度与材料强度匹配 |
工作中螺栓/螺母未发生转动，但扭矩明显降低 | 被连接件发生了压溃、或磨损。 | 1 增大承压面积 2 提高被连接件材料强度 |
工作中螺栓/螺母发生转动，扭矩明显降低 | 1.装配预紧力不足 2 切向载荷过大 | 1.提高装配预紧力 2 采用防松螺母/螺栓 |
工作过程中螺栓断裂 | 1 装配预紧力不足 2 外加载荷过大 | 1. 提高装配预紧力 2. 改进连接结构，减小外载 |
附件1
高强度螺纹紧固件设计、校核流程
参考标准：
[1] GB/T 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱
[2] GB/T 紧固件机械性能 螺母 粗牙螺纹
[3] GB/T 紧固件机械性能 螺母 细牙螺纹
[4] VDI 2230
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/aa59735cfd00bed5b9f3f90f76c66137ee064f99.html
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