螺纹紧固件设计手册样本

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/螺母连接是经过完成装配后, 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经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。

μ

Τ: 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

( 3) 防止张开所需的轴向力F V, 在有轴向外力FA作用时, 被

联接件仍留有一压力F KR。

图1 经过配合面间的摩擦力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+Δ F ( 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为常见螺栓的保证载荷、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)

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4.8、 5.6.、 5.8、 8.8、 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, 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

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

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: 螺栓不与其它零件产生干涉。

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 常见类别

紧固件常见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 紧固件常见表面处理