螺纹紧固件设计手册

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F KQ 通过配合面产生的静摩擦力，用以传递切向载荷 F Q 或扭矩M Y ，
q 为配合面数量。

卩T :配合面的摩擦系数
图1通过配合面间的摩擦力传递载荷
（2）螺栓的轴向力 Fq 用于提供保证密封所需的压力
F kp =A D ? P i
Pi ：密封介质的压强 A D :密封面积
F Q
好 “Tniin
ra :摩擦半径，对于车轮螺栓为 PCD/2
伽 G ^Tuun
(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
F KR 。

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 △ F :
*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
△ Fvth
综合考虑上述所有因素，所需的螺栓最小轴向力
F min
=F KQ +F KP + F V + △
F 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F MZU l 与螺纹副的摩擦系数 卩G 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)。

D2 —螺纹中径
D0 —螺杆部最小截面直径 卩G ——螺纹副摩擦系数
F V =F PA +F KR
(1)
LL.PED-
■ri2 1J
表
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）
*赴丿卜拯址交罠的可臆性
•咼理咂螺紋・吃削适谊年範响小
・蝶时螺邯餐詩尊ift整働可发现
*叫根遼拆炭
•与旣壷度母盛有坤披亂的材料相配合时.憬度址简
•叫承陀海场的「仔环罐
•允许唱卑的锻层
•腿性材料更蘇加工
•宵嵩沁1，直車奁更强的當蚱损先
•繰科増塀纹鯉詡陶力集中慈小
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• 常用刪外卅门闌MIH r-A ■'：. J... Y- ：（：■'.
-欄岡尺寸下*可提供更大的馈葉力
• ME能FI曲小，可左絞小的扭建下提裔压藍力.RJHI可捉髙加松动性
•耳有楼斋的田转力和横酎剪切力
•町亶好產樓薄雅甘歩高鍵廈件
•嫌纹可更捲近那堆食
*不易枪动
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
F max 进行粗略估计，对于扭矩控制拧紧，F ma< / F min =0.14-0.16 ；对于扭
矩转角控制拧紧，F ma< / F min =0.12-0.14。

可能产生的最大轴向力
F max 必须小于螺栓装配时允许的最大装配轴力 F Mzul 。

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，
［11
10.9、12.9 等［1。

但内螺纹的强度不只是与材料及热处理的工艺有关， 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
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。

标准的等级有 4.8、56、5.8、8.8、
同时还与螺纹连接长度有关。

标准
2表来选择。

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。

6.1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。

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》10.9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。

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
Afo = Fv 10 1€P + 0)
J W K = Fv
匝斗凹££ .
对于沉头
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 M A 与装配预
紧力F V 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。

*臼旳亠
(3)
M G/M K——螺纹副/头下摩擦面分配的力矩，M A=M G+M K
卩G/卩K——螺纹副/头下摩擦面摩擦系数
卩ges ---- 螺栓综合摩擦系数，卩ges=（卩G+K） /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）
Abm.
Size Feat…-
KlasM
Strength
McrtagievcirEpannkrBlle/A3Een i i bly prel-OLad 务阳in
kNfurjjQ =
Anzielidreh momerrte/T li ghteriing torque 弧irb Nm fur蘇三
W G三
0,06 0,10 OJS 0,14 G.16 0^0 0,24 0.06 0.100,12 0,H 0,16 0^0 0,24
e.8 7.6 7.4 7.2 7,0歸6,4004用宮卫6,9 fl.57,1 8.1 鲫
M510.9 11.110s8 1ID p© 10?3 10,0 9,4 8,8 fi.5 7,6 日月0.5 10n4 11.9 13左
12.913s0 127 12.4 12
P0
11,7 11,0 10.3 话S.9 10.011,2 12,214.0 15.5
8.8 10.7 W.4 10,2 09 9,6 9,0 8,4 779.0 10,1 11,3 12,3 14J15.8
M610S 15,7 15J3 14h914.5 14.1 13.2 12.4 11.3 13.2I4h9 16,5ie4o 20.7 22.9 12J0 1&.4 17^ 17.5 17,0 16.5 1S.5 14,5 13^ 15.4 17P4 1*3 21J 24.2 竝自
8.81&.5 畑11B P6 1SJ 17,6 16,5 15,5 1B P521.6 24P B 27,3 29.8 34.3 3S,Q
Ms10-9 28.7 28,027R3 26P6 25,0 24.3 22J 27,2 71H36P140,1 4354).3
12.9 33.632農31 130.2 2B.4 26.6 3LB 37.2 42H2 46.9 51.2&8.9 €S fl3
8.8 31.0 30 29.6 28.6 27.9 26s3 247 36 43 4854596® 75
MIO10.9 45.6 44再43.442^41,0 3B,6 36253 63 71 7987 100110
12.9 53.3 52」50n8 49,448,0 45.2 42 M 斑73 83 9G101 116 129
8.845.2 44;143?0 41?9 40,7 3B,3 35B9 S3 73 @4S3102 117130
M i£10.9 6^.394再63,2 61p5 59,0 &6,3 昭月陛10® 123 137 149 172 191 12S 77.6 70 Ji 74k0 72P0 710,0 65.6 61^ 106126 144160175 201 223
9.9 604W.1 57.5 55.9 52,C 49h3 100117133 1帕162 1S7 207
M1410.9 91,0 aafi667 84.492J 77,2 72,5 146172 195 2ie 238 274 M4
12.9 1M.5 104.1 101,5 sew &0.4 171 201 泗£56 27& 351
表8 ISO米制细牙六角螺栓（等粗杆）
Abm. Size Fe$t.-
Strength
Grade
preload
kN KJr/ifl-
AhEiehdrehmom^nie/n^hi^nih^ to«iue Al^in
Nm for 岭=% =
0,09 0,100,12 0r l40r16 0,20 0.24 0,10 0,12 0 110,160,20 0.24
M8 8 8 21.2 20.720.2 19 J 192 18 117h0 19.3 22.8 26.1 292 32.0 37,0 41,2 X 110 9 31.11 30.4 29.7 28.9 2®J 265 24,9 2B.4 33.5 38,3 42.047.0 54.3 60.5
12.9 36,4 35,6 34,7 33.9 32* 3h0 29,1 33,2 39,2 44,950.1 55,0 63h6 70,8 M9 8 8 27.7 27,2 26,5 25.9 252237 22P3 28,0 33,2: 38」42.6 | 46,9 54P460,7 x110.9 407 39,9 3S,0 38.0 37 J) 34,9 32.94“48J 55 s9 62.6 6S.S 79F8 89,1
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12.9 &6254,4S2,5 SO4 78h3 73.999,5 114 135 155 174192 222 249 M12 8 8 47,646,6 45,544.343r1 40,6 38左■■-76 8797107 123 137 x1,5 10.9 70,0 醐5 66,8 654 633 597 56,0 95 112 12B 143157 181 202
12 9 81,9 80,1 78.2 76,2 74.169,8 65r fi 111 131150167 1&3 212 23& M 14 8 8 67,6 66,4 64占632 61,5 56,154p6104 124 142 159 175203 227 x 1,5 10.9 99^5 ft7,5 9572 &2.9 904 65,3 90仝153 162 209 2342S7299 333
12 9 116,5 114,1111.4 100.7 105r8 99,8 93:9 179 213 244 274301 349 390 M16 8B 01,4 dd,6 a?n e S5F5 83r2 7fl,6 74k0 150169 ?1S 244 26G 314 361 x 1,5 10 9134^ 131,6 128.7125,5 122p3155,5108,7 233270 320 359 396 461 515 伦甘157,1 154,0 150,614£,9 143,1 135,1 1砂373325374 420 463 eoa
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。

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。

附件1
高强度螺纹紧固件设计、校核流程
连摄点蘇的极卩議荷计算
怙算蟻栓所需最冲轴向力
I
依据装配工艺类型估算可^产生的摄大轴向力F唤
I
萱表初步确定劇规格和强度等飯
（按H驴白一12时』最犬紬向力曲澀岀蛭栓能議受的最尢值J
I
确定舷啮合长度、蛭栓长贰头眈式
I
按H ees=0 12确或配时蛭栓允许的最大轴向力F沁
I
按4妙* 12计算装牝血栓允许的彘大扭矩叫
I
依毎癱己工艺和工M确走摄大删己扭矩C ）
按A g SS=D 18,再次陵核在装目耐皿沁尸生的摄小轴向力F E，大于需要
值-
参考标准：
[1] GB/T 3098.1
[2] GB/T 3098.2
[3] GB/T 3098.4
[4] VDI 2230 紧固件机械性能紧固件机械性能紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱
螺母粗牙螺纹
螺母细牙螺纹。