螺纹连接设计及螺栓紧固力矩设定

⑹组合件
• 螺栓组合件——六角头螺栓，弹垫、平垫组合件。 • 螺母组合件——六角头螺母和弹垫组合件
螺纹连接件的规格及技术要求
1.螺纹连接件的规格
⑴螺栓主参数
• 螺纹直径——根据标准件系列 • 螺 距 ——分粗牙和细牙两种规格 • 头部形状——六角头和六角头法兰面 • 强度等级——根据标准件系列
⑵其它要求
JIS G 4105
螺纹连接件• GB 系列——4、5、6、8
数字表示保证应力值，如6表示保证应力为600 MPa 对应不同的螺纹规格，数值有差异。
• MES系列——六角螺母（540、600、800、1000）
数字表示保证应力值对应不同的螺纹规格，数值有差异。 六角法兰面螺母（6、8）
590
540
510
480
10.9
940
875
790
745
705
12.9
1100
1020
925
875
825
• 高温下工作的螺栓结构（如排气系及发动机内高温部分），应重视
上述螺栓机械性能降低问题，设计时进行充分的验算。
• 低温下工作的螺栓结构存在同样的问题，设计时应加以注意。
螺纹连接件的规格及技术要求
螺纹连接设计及 螺栓紧固力矩设定
发动机设计部
2012-11-22
目录
一. 概述 二. 螺纹连接件的类型 三. 螺纹连接件的规格及技术要求 四. 螺纹连接结构的设计 五. 螺纹紧固力矩的设定方法
概述
1.螺纹连接的应用
⑴常用连接方式
• 螺纹连接 • 焊接 • 粘接 • 铆接 • 其它（如过盈配合）
• 螺纹连接是主要的连接方式，在需要进行折卸及组装的场
• 除特殊螺纹外，各种螺纹均已标准化，螺纹的参数从标准资料中选取进
行应用。
• 常用的螺纹为公制标准规格，但应注意管螺纹经常应用的是英制规格。 • 特殊螺纹（如接地导电螺纹）为专利项目，其螺纹参数为特定公司的内
部规范。
• 三角形螺纹本身不具备密封作用，在需要密封的场合，应考虑单独的密
封结构或采用管螺纹/锥面螺纹。
⑶螺钉
• 普通螺钉——承载能力小，仅应用于强度等级小的
场合，可用不同的拧紧工具，作业性良好。
• 自攻螺钉——仅用于承载能力小的场合，对手件不
需加工螺纹，常用于与钣金板或塑胶件配合。
螺纹连接件的类型
⑷双头螺柱
根据需要螺纹规格可调整为两头不一致， 但从受力平衡考虑，尽可能兼顾两头的 规格，
⑸垫圈
• 弹簧垫圈——用于一般的防松结构。 • 平垫圈 ——用于被连接面为铝合金等软金属场合 • 波形垫圈——用于特殊的防松结构
概述
⑵螺栓结构受力形式
Case 1 摩擦力形式
• 对于一般的螺纹连接结构，螺栓的光杆部分（或螺纹部）与连接件的内孔不
接触，之间存在一定的间隙。
• 在螺栓紧固后产生的轴向压紧力作用下，螺栓头部座面（或螺母座面）与被
连接件接触面之间产生摩擦力。依靠该摩擦力实现结构的紧固及力（或力矩） 的传递。
• 螺纹结构的紧固能力及传递力（或力矩）的能力取决于螺栓紧固后产生的轴
种，一般采用标准型螺母。因空间限制场 合可采用薄型螺母，但紧固力矩应适当减 小。厚型螺母有助于提高螺纹的承载能力， 在一些强调连接强度的场合采用。
概述
•
Case 2
内螺纹加工在结构件上（如底座）， •
外螺纹一般为标准件。
为确保螺栓外螺纹完全啮合。在考虑尺寸 公差前提下，一般设定螺栓紧固后内螺纹 露出长度为1→2个完整螺牙。
• 除螺栓头部座面（或螺母座面）与被连接件接触面之间产生摩擦力外。螺栓
杆部与被连接件内孔接触，承受剪切力。
• 螺纹结构的紧固能力及传递力（或力矩）的能力主要取决于螺栓所能承受的
剪切力、螺栓的个数及分布。
• 汽车上较少应用剪力螺栓结构形式，传动轴法兰面紧固螺栓为半剪力螺栓结
构形式。 传递较小扭矩情况下，依靠法兰面之间的摩擦力传递扭矩，在大扭矩情况下， 传动轴法兰面螺栓承受剪切力，以传递更大的扭矩。
若对螺纹中径公差及表面粗糙度有特殊要求， 则需要标注相关要求。
• 光杆部分形状及尺寸——主要为光杆部分外径
及长度，若无特殊要求则按照标准件。
• 螺栓头形状及尺寸——标注特殊要求形状及尺
寸，其余按照选定标准件。
• 过渡部分形状及尺寸——对螺纹及头部过渡部
分形状及尺寸有特殊要求，需要标注相关参数。 若无特殊要求，则按照选定标准件。
螺距
2.0
2.5
2.5
3.0
②细牙螺纹规格（GB系列）
M6/M7 1.0 M30 3.5
M8 1.25 M33 3.5
M10 M12
1.5 1.75
M36 M39
4.0
4.0
螺纹规格 M8 M10 M12 M14 M16 M18 M20 M22 M24 M27 M30 M33 M36 M39 螺 距1 1.0 1.0 (1.25) (1.5) 1.5 (1.5) 1.5 (1.5) 2.0 (2.0) 2.0 (2.0) 3.0 3.0 螺距2 — (1.25) 1.5 — — — 2.0 (2.0) — — — — — 3.0
向压紧力、接触面之间的摩擦系数、螺栓的个数及分布。
• 螺栓杆部及螺纹只承受轴向拉伸力和螺纹拧紧时产生的附加扭矩的作用，不
承受结构上的外力（如剪切力）作用，为双向应力状态。
概述
Case 2 剪力螺栓形式
• 对于剪力螺栓结构，螺栓的光杆部分与连接件的内孔接触，螺栓杆部与连接
件内孔之间为配合形式，一般为过渡配合。
• 前面所述螺栓强度等级的定义是指在常温时的机械性能 • 随着工作温度的变化，螺栓所能达到的机械性能会发生变化。
螺栓屈服强度随温度提高而降低的关系如下表所示。另外，低温条件 下螺栓的机械性能也会发生降低，其特性较为复杂。
温度 ℃
强度等级
+20
+100
+200
+250
+300
屈服强度 MPa
8.8
640
螺纹连接件的类型
1.螺纹连接件基本类型
⑴螺栓
• 普通六角头螺栓 ——普通螺栓，需考虑防松。
• 六角头法兰面螺栓 ——本身有防松效果
• 凸焊螺栓
——凸焊在支架或板上
• 特殊螺栓
——部分尺寸为非标准件
⑵螺母
• 普通六角头螺母——普通螺母，需考虑防松。 • 六角头法兰面螺母——本身有防松效果 • 凸焊螺母——凸焊在支架或板上 • 自锁螺母——防松用特殊螺母
合，只能采用螺纹连接方式。
• 在汽车各系统中广泛应用螺纹连接结构，有必要对螺纹连
接结构进行深入的分析研究，以正确设计螺纹连接结构。
概述
⑵常见螺纹形式
• 三角形螺纹——普通螺纹 • 锥面螺纹 ——常用于密封结构 • 管螺纹 ——有英制和公制规格 • 梯形螺纹 ——常用于传动机构 • 特殊螺纹 ——如接地导电螺纹和防松结构螺纹
◆尽量不要选用（）内螺距规格
概述
⑷普通三角形螺纹牙形—GB193/T
P
①螺牙形状及尺寸定义
P/8
D、d D2、d2 D1、d1
H/8 H/4 3/8 H H/4
H
60° P/2
P/4
◆ D—内螺纹大径， d—外螺纹大径 ◆D2—内螺纹中径，d2—外螺纹中径 ◆D1—内螺纹小径，d1—外螺纹小径 ◆P—螺距 ◆ H—原始三角形高度 H=3^1/2/2=0.866025 P
• 螺栓杆部及螺纹承受轴向拉伸力和螺纹拧紧时产生的附加扭矩及剪力的作用，
为三向应力状态。
概述
3.研究螺纹连接结构的目的
通过螺纹连接结构的研究，要达到以下目的
• 正确选用螺纹连接标准件的规格及参数 • 合理设计螺纹连接结构及其零件 • 正确设定螺纹连接结构的紧固力矩 • 合理采用防松结构，以保证系统正常工作。
④螺栓材质选用及热处理
对应不同的强度等级，螺栓的材质和热处理状况如下表（MES CC 010）
强度等级 4.8 6.7 6.8
8.8
10.9
材料 SWRM10 S10C、S12C SWCH25K
S25C TS25C-C TSMn122HX-C TSMn125HX-C SWCH38K to SWCH45K或相当品 SWCH38A to SWCH45A或相当品 S43C to S45C SCr430 TSCr430
• 尺寸及形位公差——除特殊要求外，一般依选
定标准件。
• 其它
螺纹连接件的规格及技术要求
⑵机械性能
①螺栓强度等级
• GB 系列——4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、10.9、12.9
• MES系列——4.8、6.8、6.7、8.8、10.9、12.9 • MMC系列——4T、（6T）、7T、8T、10T、（12T）
对应标准 JIS G 3505 JIS G 4051 JIS G 3539 JIS G 4051 MES MM 220
MES MM 221
JIS G 3539
JIS G 4051 JIS G 4104 MES MM 224
热处理 —
回火温度460℃或更高 回火温度480℃或更高
淬火后回火
12.9
SCM435
概述
2.螺纹连接结构
⑴常用螺纹连接结构形式
Case 1 通过螺栓和螺母将相关结构连接， 其中螺栓和螺母一般均为标准件。
螺母 被连接结构
螺栓
• 为确保螺栓结构的强度，必须保证螺母的
内螺纹完全啮合。在考虑尺寸公差前提下， 一般设定螺栓紧固后外螺纹露出长度为 1→2个完整螺牙。
• 螺母的高度分为标准型、薄型和加厚型三
概述
②常用螺纹规格系列
螺纹规格 螺距P 中径D2/d2 小径D1/d1
0.8 4.480 M5
0.5 4.675
4.134 4.459
1.0 5.350 M6
0.75 5.513
4.917 5.188
1.25 7.188
6.647
M8
1.0
7.35
6.917
0.75 7.513
7.188
1.5 9.026
对于非贯通内螺纹，为保证内螺纹的加工 性，底孔深度应大于螺纹深度3mm以上。
螺纹底孔的内径根据螺纹规格及螺距由工 艺手册查得，概略上相当于螺纹中径。
• 为保证内螺纹的承载能力，应设定足够的
内螺纹深度。
螺栓 被连接结构 内螺纹加工在结构件上
内螺纹材质 钢
铸铁 铝合金 粉末冶金
螺纹长度L/螺纹外径D 0.80以上 (目标值1.0) 1.0以上 (目标值1.25) 1.25以上 (目标值1.5) 1.25以上 (目标值1.5)
数字表示保证应力值，如8表示保证应力为800 MPa
• MMC系列——4T、6T
数字表示保证应力值，如6T表示强度极限为590 MPa 屈服强度为440MPa(冷间压造成形) 或350MPa(切削成形/热间压造成形)
• 表面处理
——根据工作条件设定
• 螺纹中径公差等级——根据配合要求
•材 质
——根据强度等级确定
• 热处理
——根据强度等级确定
• 螺纹表面粗糙度 ——根据配合要求
• 其它事项
——如导向、刮漆等要求
螺纹连接件的规格及技术要求
2.螺纹连接件图面表达
⑴形状、尺寸要求
• 螺纹部分尺寸——主要为螺纹规格及有效长度。
8.376
1.25 9.188 M10
1.0 9.350
8.647 8.917
0.75 9.513
9.188
螺纹规格 螺距P 中径D2/d2 小径D1/d1
1.75 10.863 10.106 1.5 11.026 10.376 M12 1.25 11.188 10.647 1.0 11.350 10.917 2.0 12.701 11.835 M14 1.5 13.026 12.376 1.0 13.350 12.917 2.0 14.701 13.835 M16 1.5 15.026 14.376 1.0 15.350 14.917
• MES系列——以10.9级为例
10—表示抗拉强度为10×10=100 kgf/mm2 9—表示屈服强度为抗拉强度的90％=90 kgf/mm2
• MMC系列——以7T为例
7—表示抗拉强度为 7×10=70 kgf/mm2 屈服强度为 56kgf/mm2
螺纹连接件的规格及技术要求
③螺栓强度等级与工作温度
概述
⑶三角形螺纹规格
• 粗牙螺纹——应用于一般场合，螺纹承载能力小，
自锁能力较差，但锁附方便。
• 细牙螺纹——螺纹承载能力大，自锁能力强，但
锁附较不方便，应用于重要部位。
①粗牙螺纹规格（GB系列）
螺纹规格
M3
M3.5
M4
M5
螺距
0.5
0.6
0.7
0.8
螺纹规格 M14/M16 M18/M20 M22 M24/M27
不同系列强度等级对应如下表
MMC系列
4T L≤50mm
6T L＞50mm
7T 8T 10T 12T
MES和GB系列
4.8 6.8 6.7 —— 8.8 10.9 12.9
备注
螺纹连接件的规格及技术要求
②螺栓强度等级定义
• GB 系列——以6.8级为例
6—表示抗拉强度为6×100=600 MPa 8—表示屈服强度为抗拉强度的80％=480 MPa