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。

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F Kp 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

图1 通过配合面间的摩擦力传递载荷

（3）防止开所需的轴向力F V，在有轴向外力FA作用时，被联接件仍留有一压力F KR。

F V=F PA+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

F min=F KQ+F KP+F V+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F Mzul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=0.12 μG=0.20

M6 8.8 11.6 16.1 10.2 9.0

M8 8.8 21.2 29.2 18.6 16.5

10.9 30.4 38.1 27.3 24.3

M8×1 8.8 22.7 31.4 20.2 18.1

10.9 32.5 40.8 29.7 26.5

M10 8.8 33.7 46.4 29.6 26.3

10.9 48.1 60.3 43.4 38.6

M10×1 8.8 37.4 51.6 33.7 30.2

10.9 53.5 67.1 49.5 44.4

M10×1.25 8.8 35.5 49.0 31.6 28.2

10.9 50.8 63.6 46.4 41.4

M12 8.8 48.9 67.4 43.0 38.3

10.9 70.0 87.7 63.2 56.3

M12×1.25 8.8 53.4 73.7 48.0 43.0

10.9 76.4 95.8 70.5 63.2

M12×1.5 8.8 51.1 70.5 45.5 40.6

10.9 73.1 91.6 66.8 59.7

M14 8.8 66.7 92.0 59.1 52.6

10.9 95.5 120.0 86.7 77.2

M14×1.5 8.8 72.5 100.0 64.8 58.1

10.9 104.0 130.0 95.2 85.3

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F max进行粗略估计，对于扭矩控制拧紧，F max∕F min=0.14-0.16；对于扭矩转角控制拧紧，F max∕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，因为螺纹的破坏不易发现，且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4.8、5.6.、5.8、8.8、10.9、12.9等[1]。

但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。

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，螺纹有足够的强度来匹配。下表是各种螺纹材料所需的最小啮合长度。