紧固件设计选用指南

召回案紧 根据美国《紧固件报告》杂志的统计，售出产品召回案中有 固件占比 80%是由于紧固件问题引起的，其中零件混杂、缺陷以及安装问 重 题和零件设计错误是最主要的肇事原因。
紧固件的功能介绍
紧固件分为螺纹联接紧固件和非螺纹联接 紧固件，非螺纹联接紧固件主要指铆钉、焊接 销钉、联接销钉等，发动机除标牌使用非螺纹 紧固件外，绝大多数是螺纹紧固件。所谓螺纹 联接就是用螺纹紧固件把两个或更多的被联接 件夹紧在一起,以便抵抗各种外载荷, 而被联接 件不分离, 不滑移, 或者接合面不洩漏。为此, 在施加外载荷之前,需拧紧螺纹紧固件,以加紧 被联接件。称拧紧螺纹紧固件为预紧,称该力为 轴向预紧力。
紧固件的选用原则
防松 紧固件的防松是指螺纹连接的防松，一般情况下，在发动机、 底盘等重要受力部位，都应该采取高效防松措施。 首先应考虑选用自锁螺母、自锁螺钉，采用楔形螺纹、涂防松 胶等。如果因为防松机械失效对整机安全或人身安全造成威胁时， 就不能依靠自锁螺母、自锁螺钉、楔形螺纹等预柔性锁紧系统来防 松，还需要附加其他锁紧方式或刚性防松机构。弹簧垫圈、弹性垫 圈的防松能力很差，不能用于重要部位的防松。在一些工作环境比 较好的部件上，或者经过减振的设备上，还可以应用弹簧垫圈、弹 性垫圈，但不管怎样，不能把弹簧垫圈、弹性垫圈做为防松零件用 于重要受力部位。
紧 固 件 功 能
摩擦系数稳定性-装配性能 防松性能 抗蚀性 高温强度稳定性（发动机特殊装配部位） 环境保护要求
顾 客 对 紧 固 件 的 要 求
良好的经济性
紧固件的功能实现
螺栓、螺钉的螺杆有两部分组成：无螺纹杆部（俗称“光杆”）和螺纹部分。 1、 无螺纹杆部的直径和长度 无螺纹杆部的长度是选择螺栓规格的基本参数之一。该长度一般等于被连接件的 夹层厚度，所以，也可以将该长度叫做螺栓的夹紧长度。对于抗拉螺栓，该长 度一般包括螺纹收尾，即通常意义上的lg；对于抗剪螺栓，该长度不包括螺纹 收尾即通常意义上的ls。 2、螺栓末端 倒角端或倒圆端需要在滚压螺纹前在坯料上预先进行倒角或倒圆，以改善螺 栓的自动对中性。按设计理念不同，还有采用大锥端的、偏锥自动定心端、螺 纹圆弧端等。不完整螺纹的长度不大于2倍螺距。在螺纹联接时，不完整螺纹不 能受力。因此螺栓的装配和机械性能试验时，必须保证螺栓伸出螺母顶面2倍以 上螺距长度，以确保螺栓的完整螺纹受力。
≤30
1
≤100
2
2 16-20 4
5 10 20
＞30、＜ 100 ≥100
2 4
＞100
4
≥100
4
20-90 90-200 ＞200
（1）摘自ISC/TC20/SC4第389号决议，（2）摘自GJB3371-1998《普通螺纹螺栓》。
紧固件的功能实现
4、螺纹长度
按照ISC/TC20/SC4规定，螺栓的螺纹长度分为长螺纹、 中螺纹和短螺纹，他们的长度见下表，长螺纹适用于抗拉螺栓 ，如发动机用高强度螺栓、短螺纹适用于抗剪螺栓；中螺纹适 用于承受拉剪复合载荷的螺栓。需要注意的是：中、短螺纹的 螺栓长度包括螺纹收尾，长螺纹的螺纹长度不包括螺纹收尾。
紧固件的功能介绍
扭矩
夹紧力
轴向预紧力
紧固件的功能介绍
预紧过紧 预紧过松
加 载
螺 纹 牙 剪 断 被 联 接 件 静 力 破 坏 螺 栓 疲 劳 破 坏
加 载
被 联 接 件 滑 移 分 离 零 件 质 量 与 成 本 增 加
螺 栓 拧 断
紧固件的功能介绍
结构尺寸和形位公差精度 抗拉强度、疲劳强度
汽车/发动机紧固件的重要作用
下表是一辆汽车中紧固件数量及占整车成本比重统计：
单车上紧 固件品种 数 轿车 中重型卡 车 500 550 单车上紧 紧固件成 单车上紧 固件重量 本比例（ 固件总数 Kg 美国） 50 88 4000 7100 2.4% 2.6% 紧固件成 高强度紧 本比例（ 固件比例 中国） 1.13% 1.39% 32% 35%
头下圆角半径 螺纹公称直径 5 6 8 10 12 14 16 18 20 普通螺纹螺栓（凸头） MJ螺纹螺栓 国军标螺栓 国家标准螺栓 ≤1100MPa ≥1250MPa 0.1-0.5 0.2 0.3-0.5 0.6-0.8 0.1-0.5 0.25 0.5-0.7 0.8-1.00.6-1.0 0.4 0.5-0.7 0.8-1.0 0.6-1.0 0.4 0.6-0.8 1.0-1.2 0.8-1.2 0.6 0.6-0.9 1.2-1.4 0.8-1.2 0.6 0.8-1.1 1.2-1.4 1.3-1.7 0.6 0.8-1.1 1.6-1.8 1.3-1.7 0.6 1.0-1.3 1.6-1.8 1.8-2.2 0.8 1.0-1.3 1.6-1.8 摘自：GJB3371-1998、GB/T3105-2002、ISO/TC20/SC4第718号决议。
控制镀层的孔隙率尽可能小，即把基体完全覆盖，并且有足够的镀层
厚度，如钢表面镀装饰铬。
紧固件的选用原则
在考虑镀覆层与接触件的接触电化学偶时，尽可能选择在 电化学中相邻或相近的金属和镀覆层接触，标准电极电位差不 大于0.5V时可以安全使用。 避免存在“大阴极小阳极”现象，即接触偶中起牺牲阳极作用 的镀层面积比阴极面积小得多，即由于原电池中的阳极是被腐 蚀的一极，阳极应具有更大的质量和表面积。如将不锈钢或铜 材的部件与碳钢紧固件配用，将是一种拙劣的设计，正确的做 法应是将碳钢的部件与不锈钢紧固件配用，因为具有相对大得 多的质量和表面积的碳钢部件是阳极。
螺栓种类 螺纹收尾 肩距
一般 ≤2.5P ≤3P
普通螺纹 短的 ≤1.25P ≤2P
MJ螺纹 长的 -≤4P ≤2P ≤2P+rmax ≥1P ≥0.6P ≥1.5P+rmax
P为螺距，r为螺栓头下圆角半径。
紧固件的功能实现
头下圆角 螺栓的头下圆角对于螺栓的头杆结合强度有重要影响，太小，易产生应力集中，引 起掉头；过大容易与装配干涉。
紧固件的功能实现
3、螺栓长度增量 国家标准、国家军用标准和航空航天紧固件标准不同，具体见下表：
MJ螺纹螺栓 （1） 中、短螺纹螺栓 螺栓长度 范围 长度增量 长、全螺纹螺栓 螺栓长度 范围 长度增量 螺栓长度 范围 ≤12 ＞12、＜ 100 普通螺纹螺栓 国家军标准螺栓（2） 长度增量 1 国家标准螺栓 螺栓长度 范围 ＜6 6-16 长度增量 1 2
配合要留有间隙，如6g/6H。
紧固件的选用原则
表面防护
表面防护要统筹考虑，被表面处理的零件基体性能，所要达到的预 计防腐、装饰、其它功能等目标。选择镀覆层应考虑的因素：
固件材料、热处理状态、结构、强度级别、形状与配合公差、加工方法
及表面粗糙度； 紧固件的储存和使用特征； 金属镀覆层的特性和分类、应用范围、厚度系列与选择原则； 金属和镀覆层接触的接触腐蚀等级； 镀覆的目的和要求； 清洁生产的要求； 选择的镀层及工艺方法应避免氢脆、镉脆和锌脆。
紧固件的选用原则
具体选择要求： 对于基体金属，应尽量选择阳极镀覆层。在一般情况下，电极电 位小的金属作为牺牲阳极，能对电极电位大的金属起电化学保护作用。 一般情况下，镀锌层可以作为钢铁件的阳极性镀层，起牺牲阳极来保 护钢铁基体不被腐蚀。在这里，使用环境条件很重要，例如：镉电极 的标准电极电位为-0.40V，不如锌低，因此在一般大气环境下，镉 镀层耐蚀性不如锌镀层，但在海洋大气中，镉镀层耐蚀性反而比锌镀 层强得多。有时需要选择阴极性镀层作为防护装饰性镀层，那么必须
紧固件的功能实现
螺纹精度 螺纹精度对螺栓的装配质量有决定性影响。欧美国家的航空航天行业普遍追求高精度， 采用MJ螺纹的螺栓均采用4h6h。高精度的螺纹不仅能实现结构的精装配，而且有利于实现 自锁螺母的防松。在国家标准中，螺栓螺纹大都选用6g。 螺纹牙底圆弧半径 螺栓螺纹的牙底是产生应力集中的主要部位，牙底圆弧半径小的螺纹，对于高强度螺 栓更容易引起应力集中，严重影响螺栓的疲劳强度。因此必须对高强度螺栓的螺纹牙底圆 弧半径进行限制。性能等级在8.8级以上的普通螺纹螺栓的牙底圆弧半径不能小于0.125P， MJ螺纹螺栓的牙底圆弧半径不能小于0.1501P。 螺纹收尾和肩距
紧固件的选用原则
螺纹 细牙螺纹的承载能力和防松性能较松牙螺纹高，普通螺 纹全金属自锁螺母配用的螺栓的螺纹公差应不低于5h6h，如 果配用螺栓的螺纹公差是6h，则有可能因螺栓处于最小实体 尺寸、螺纹间隙过大而导致自锁力矩不稳定。与非自锁螺母 配用的外螺纹公差一般不低于6h；螺母或其他内螺纹的螺纹 公差一般为5H(粗牙)或6H（细牙）。对于有高温环境，螺纹
紧固件的选用原则
密封 密封紧固件是密封结构中不可缺少的零件。部件结构设计 中常用的密封紧固件有带O形圈的密封螺栓、密封铆钉、密封 自锁螺母等。
工作温度的变化是造成密封结构泄漏的重要原因。高温会
引起密封材料的变形和紧固件的蠕变松驰。低温密封的主要问 题是密封件变硬、变脆以及冷缩变形引起的预紧力松驰，因此
要求紧固件的低温性能好，而且与组件材料的冷缩率相匹配。
带O形圈的密封螺栓结构用于受力较大的部位。
紧固件的选用原则
工作温度 根据工作作选用紧固件是紧固件选用的基本原则之一。紧固件受工作温度 影响的主要因素是材料和表面处理，二者必须同时满足工作温度要求。钢制紧 固件通常在常温下使用，电镀锌和电镀镉紧固件的工作温度不能超过230℃（国 外电镀镉为235℃），否则会出现锌脆或镉脆。尼龙材料的最高工作温度为 100℃（国外为120℃），所以工作温度超过100℃时就不能选用尼龙自锁螺母 。 热传导也是选用紧固件需要考虑的因素之一，为了达到减小热传导的目的，需 要采用导热系数小的螺栓。钛合金导热系数最小，所以在需要隔热的部件，多 采用钛合金紧固件。
强度和刚度
承力部位通常都要求紧固件具有较高的强度，因此尽量选用高
强度紧固件。螺栓的强度最好不低于1100Mpa，碳钢和奥氏体不 锈钢螺栓的强度比较低，不宜用于承力部位。在选用高强度紧固件 时，一定要综合考虑紧固件的使用环境，不能片面地追求高强度， 同时过高的强度会导致脆性增加、韧性降低，紧固件的综合性能变 差。在小支架连接及受力不大的结构件连接中，可以选用低强度紧 固件。
12
14 16
16
19 20.5
22.5
26.5 28.5
23.5
27.5 30
30
34 38
30
34 38
36
40 44
57
18
20 22 24
22.5
24.5 26.5 29.5
31
33.5 36 41.2
33
35.5 38 43.5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
42
46 -
42
46 50 54
48
52 56 60
61
65 69 73
紧固件的功能实现
MJ螺纹 （1） 螺纹公称直 径 中螺纹含收尾 短螺纹含收 长螺纹不含 尾 收尾 ≤1250MPa ＞1250 MPa 5 6 7 8 10 9 10 11 11.5 14.5 12 14 15 16.5 20.5 12.5 15 16 17 21 16 18 20 22 26 普通螺纹（不含收尾） 螺栓总长 ≤125 16 18 20 22 26 200≤螺栓 螺栓总长＞ 总长＞125 200 28 32 -
紧固件的选用原则
根据紧固件的预期用途及功能，所选用的品种应能保
证工程或产品的适用性和可靠性。 按各种紧固件的不同结构形式、机械性能或材料、工 作性能、螺纹类型及精度、适用温度等方面确定所选用的 品种。
从经济性考虑，在同一工程或产品中，应尽量减少紧
固件的品种和规格。 根据设计要求选用紧固件
紧固件的选用原则
紧固件的功能实现
螺栓上完整螺纹的最后一个牙底到螺杆光滑圆柱面起点之间的部分，称为螺纹收尾。 螺纹收尾是完整螺纹与光杆之间的不完整螺纹段，容易产生应力集中，是螺纹强度较弱 的部分之一。高强度螺栓标准要求从完整螺纹到不完整螺纹的过渡应是光滑和均匀的， 不完整螺纹的大径不超过完整螺纹的大径，螺纹收尾应是圆形齿根的轮廓，圆弧不应小 于完整螺纹的圆弧。肩距是全螺纹螺栓上特有的几何尺寸，其长度等于完整螺纹最后一 个牙底到螺栓头部支承面之间的距离，包括螺纹收尾和螺栓头下圆弧半径。
紧固件的选用原则
镀覆工艺对基体材料的力学性能有不同程度的影响。
主要受力件在选择镀覆层时，应考虑其应力集中敏感性、 强度、抗疲劳性能等方面要求。要注意其使用温度范围。 在密闭情况下，要考虑一些有机挥发气体会导致镀锌层腐 蚀。因此产品设计时需要考虑有害的挥发气体对镀层的影 响。 镀锌层进行铬酸盐处理是十分必要的。