螺纹紧固件设计手册范本.docx

1、螺纹紧固件设计手册范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

2、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 Fkq通过配合面产生的静摩擦力，用以传递切向载荷 Fq或扭矩MY，q 为配合面数量。卩T：配合面的摩擦系数ra :摩擦半径，对于车轮螺栓为 PCD/2图1通过配合面间的摩擦力传递载荷（2） 螺栓的轴向力Fkp用于提供保证密封所需的压力F kp=A? PiPi :密封介质的压强Ad:密封面积（3）防止张开所需的轴向力 Fv,在有轴向外力F

3、A作用时，被联接件仍留有一压力 Fkr 。Fv=Fpa+Fkr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 F:*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 Fvth综合考虑上述所有因素，所需的螺栓最小轴向力(1)Fmin= Fkq+Fkp+Fv+A F3.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FmzuI与螺纹副的摩擦系数卩G有关，表1为常用螺栓的保证载荷、最

4、小拉 力载荷及允许的最大装配轴力（等粗杆螺栓） 。D2螺纹中径D0螺杆部最小截面直径 卩g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）最小拉力载何（kN）允许的最大装配轴力（kN）卩 g=0.12g=0.20M68.811.616.110.29.0M88.821.229.218.616.510.930.438.127.324.3M8X 18.822.731.420.218.110.932.540.829.726.5M108.833.746.429.626.310.948.160.343.438.6M10X 18.83

5、7.451.633.730.210.953.567.149.544.4M10X 1.258.835.549.031.628.210.950.863.646.441.4M128.848.967.443.038.310.970.087.763.256.3M12X 1.258.853.473.748.043.010.976.495.870.563.2M12X 1.58.851.170.545.540.610.973.191.666.859.7M148.866.792.059.152.610.995.5120.086.777.2M14X 1.58.872.5100.064.858.110.9104.0

6、130.095.285.3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。用蚊减小览绞交丈的叫能性启儒世饋饭”程圈這促詰繼嗨小螺程欄骨餐合筹织鑿H可證現*可快速丼黄三强度冊城焉握纹孔的材蚪相配舎可承燮趣鳴的T作耳境*允连更厚越傩屋*曬僅材料疋易加工*嫌聊増加堺纹憧乳廡力集中谁小 受轴腮|门小*咆專少.标滑當磧樓貝具有牧姑的输囱却节胞力相厨尺寸F，可MAE大的擴第力堀崔升摘小，可在報小的扭电卜按隔压 墜力.咼吋可性畫播松动准貝有狡药的摄荐力狐*阿曹勿力町星好建接曹鑿萍尺褂鼻度甘魅纹可里覆近幅桂头*不昌枪动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

7、具，对可能 产生的最大轴向力 Fmax进行粗略估计，对于扭矩控制拧紧， Fmax/ Fmin=0.14-0.16 ；对于扭矩转角控制拧紧，Fmax/ Fmin=0.12-0.14 。可能产生的最大轴向力 Fmax必须小于螺栓装配时允许的最大装配轴力 FMzul。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、56、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

8、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/螺母等级匹配螺纹规格螺栓性能等级螺母性能等级 M163.6 4.6 4.84 M163.6 4.6 4.85 M395.6 5.8 M396.86 M398.88 M169.89 M3910.910 8 10摩擦系数如果需要，0.12-0.180.12-0.18适用1.强度等级w8.8级的螺栓， w 10级的螺母1.强度等级W 8.8级的螺栓，w 10级 的螺母2.温度载荷增加至 150 C3.适用与铝材料 连接1.特别适用高强度螺栓/螺母2.温度载荷增

9、加至180 C不适用不适用持续温 度高于100 C的 环境不适用与镁材料 连接1.不适用有导电性要求的零件2.M6以下的螺栓/螺母及内槽螺 钉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。表5各部位紧固件耐腐蚀性要求车辆部位零件安装位置盐雾试验时间（小时），红锈一般件可视件底盘所有位置480720发动机仓如有飞溅或咼温 区（100 C）480720其他位置240480车身外部所有位置240720乘客仓所有位置240480对于可视件，其外观颜色需考

10、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六角头对边宽度Hex Opening套筒外径Socket OD所需空间的直径Space Required(Diameter)819.126

11、1019.1301320.6331219.1321522.2371422.2361825.4401725.4392131.7481928.6462434.951545mmSocket Clearance30ihm Space Required8.装配工艺参数的确定装配工艺确定的关键两点：装配产生的最小轴向预紧力满足功能要求、最大不能超出 螺栓允许的载荷。螺纹紧固件的装配方法有为扭矩法、扭矩转角法及扭矩率控制法。扭矩转角法及扭矩率控制法可以更好的控制螺栓的装配轴向力，更高的利用螺栓的强 度，但对设备的要求也较高。多用在发动机或底盘的关键连接部位。扭矩法控制是最为常用的装配工艺，公式（ 3）是典型

12、的连接中装配扭矩 M与装配预紧力Fv的关系。依据螺纹的尺寸规格、强度等级及摩擦系数范围，可确定螺栓的最大允许装配力矩。对于沉头MG/Mk螺纹副/头下摩擦面分配的力矩， MA=MG+MK卩G/卩K螺纹副/头下摩擦面摩擦系数卩ges 螺栓综合摩擦系数，卩 ges=（卩g+卩k） /2P/d2 螺纹螺距/中径F表是按照理论公式计算得到的六角螺栓在不同的摩擦系数下的允许使用的最大预紧力和最大装配扭矩。表7 ISO米制粗牙六角螺栓（等粗杆）Abm SuchFml-KlasStiwigthGrad；胡eitHg总计商內|柿啊占此卯flembly pihel Fii Tflh in WN Mr 缶=A Fi

13、rielidFeh mow mEighteni 啊forq ue 叫 ih Nm 1 Gt事寓=科$ =QJQ&Q.W0120.11Q.1go.oe0.1CQ.13g.tlets1ft.O50722 912.918.417J0币1TJJ16.51悶14.61316.4亿419.32M24.2孤日19.510.118.117.015.510 521.C24 A27,329.834,3ae.o(Jfl10 92fl,72B026月25 A沖即27231 码4J0,i艸50.356.B12.933.03232431130.228.4a.e3L372畑458.9B.B31.0303PSJ62B.027

14、.9码334.7364354aabfl7BMio伽44A43,442241.0Mfi3S-253S371790710011012.9E3.95034-448 0仲X2.46273&3S310111612S.345244 1侣p41 940 730335-6373M昭102117130Mi 210.9KJ64 86326-1 r559866352厨9210812313714&17219112.977.675 .&747Z070.010812ft1441601T52012238J862.0flo.e5flh157,555,9S2jb49.3100117133148187207胡14dl.O躺*62

15、.17S.5146171$621823B2743Q412.$100.5104,110S9H.990.017120137&Ml3M表8 ISO米制细牙六角螺栓（等粗杆）Abm. SizFest- KlacfiA Slnngib Grid*Montagevorsp ann krafteAss emb ly prelo i土町 kN fur =Ana eh drehmomenteiTig ht&n i torque 臥in Nm仙心-.叱-0ro0,104180.140,160.200莎0,06OJ00,12D/140p160.33OJ24UBa.B21.2207202wW18.117,01,322

16、.S2.129232037,041.2X 1w.s31,130429728,92BJ甜同2S433,933,342 847 054,3I&0.512J36,435634Ji.g3?r931P029.1如39.244.9S0.155063.670,3U9叩2? 225,g25左22,32B.033.2sei4SS54.4607XI伽w39.930.0MU37.D姑号臺姑41.155.9b2.6洌月79,UtfiJ.i12.D477.746 JS44.443fe34083M4& 7,06M73 39Q03.4104M10e.B3&,2MJB33.732.932,030228430465360筒7B

17、8&M 1WJS1750 6W.54阳町卫44441J574978889711212512,0045257.056.5&5.051,948忑6780Q11031131311i7U1D.aaa j3?431 fi3O,S卿月2B 22653B445157S?72SCi1 2510.94fl,6-7耳46.44-:44rD41.436.95S6575B392106IIS12&5C.8S56540sag51 r443545.5657667腑107124-138M12乱B&0JI49.148,046.045启4304G.+66和7990101111129145zljfl107a,672. t心哪63.

18、2S311b133149*6410022221212.B80C2a90,17B.3730WJ01H136165m网M12e.s47.615.544.3:? 140 6382C478er97I0T123137X1.5w.o70.068 56965.163J59 7曲9511212H31ST10120212.9B1.9SO 17B276,274J&9 8111131ISO1671&3212230MUSB7,8Sfi464,a63,261.556 154,6他1414215917Sr227x 1.510.&g?.s9S2S2,gMf49S.3ft),215320234357299S33伦01I1M1

19、14.1111h4ioe.71U6.899 8换17921324427430134999UM166.BfiMU9687fi05,583278 674,01591J9.218244269314351X1.51M134513L6128726 血122.316&.510B.72X3276320369却6461&1512.0157,1154,0150.-614Ca143J135J127.2273325374-1204*3530603必须强调的是，对于关键的连接部位，装配力矩必须通过设计计算及装配工艺模拟试验， 确认装配工艺满足设计轴向力要求。对于一般的螺栓螺母连接，初始释放动态扭矩值时可以采用以下表格

20、推荐的扭矩， 经台架试验或路试，验证无问题时，可作为正式动态扭矩释放。表9推荐装配扭矩螺纹规格推存装配扭矩（Nm4.8级8.8级10.9 级M41.5-22.5-3/M53-45-76-9M65-77-108-12M810-1519-2526-34M1022-2840-5050-65M1238-4575-9090-110M14/110-135140-170M16/160-200230-270对于自攻螺钉的装配力矩，最大装配扭矩不能超过其规定破坏力矩的 75%。表10自攻螺钉的最小破坏力矩自攻螺钉规格SIZE最小破坏力矩Minimum breake torqur （ Nn）ST2.91.5ST3

21、.52.7ST4.24.4ST4.86.3ST5.5109螺纹连接中常见的失效形式及预防措施下表列出了螺纹连接中常见的失效形式主要的失效原因，及从设计的角度采取的预防措 施。表11失效形式失效原因预防措施一设计考虑装配中螺栓拉长、断裂1.螺栓强度、摩擦系数、装配扭 矩不匹配2.螺栓强度、摩擦系数、装配扭 矩未满足规范要求螺栓强度、摩擦系数、装配 扭矩匹配装配中内/螺纹滑牙1.内螺纹啮合长度不足2.内螺纹强度低3.内/外螺纹尺寸超差螺纹啮合长度与材料强度 匹配工作中螺栓/螺母未发生 转动，但扭矩明显降低被连接件发生了压溃、或磨损。1增大承压面积2提高被连接件材料强度工作中螺栓/螺母发生转动，扭矩明显降低1.装配预紧力不足