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。

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

。

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）

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。

螺纹规格螺栓性能等级螺母性能等级

＞M16 3.6 4.6 4.84

≤M16 3.6 4.6 4.85

≤M39 5.6 5.8

≤M39 6.86

≤M398.88

≤M169.89

≤M3910.910

≤M3912.912

注：性能等级高的螺母可替换性能等级低的螺母。

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

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。

表4 紧固件常用表面处理

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 六角头对边宽度与需要的装配空间