螺纹紧固件设计手册

1、螺纹紧固件设计手册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

2、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: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。或扭矩My，q为配合面数量。F _ F- max * 峪g0F 川T min 4上- * nunUT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Fkp=AD-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FA作用

3、时，被联接件仍留有一压力Fkr。Fvf+FKRchange m fFvf+FKRchange m f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AF：*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(1(1)Fmin=FKQ+FKP+FV+ F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FMzu与螺纹副的摩擦系数uG有关，表1为常用螺栓的保证载荷、最小 拉力

4、载荷及允许的最大装配轴力（等粗杆螺栓）。(2(2)D2螺纹中径D0一螺杆部最小截面直径 uG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)匕=0.12u g=0.20M68.811.616.110.29.0M88.821.229.218.616.510.930.438.127.324.3M8X18.822.731.420.218.110.932.540.829.726.5M108.833.746.429.626.310.948.160.343.438.6M10X18.83

5、7.451.633.730.210.953.567.149.544.4M10X1.258.835.549.031.628.210.950.863.646.441.4M128.848.967.443.038.310.970.087.763.256.3M12X1.258.853.473.748.043.010.976.495.870.563.2M12X1.58.851.170.545.540.610.973.191.666.859.7M148.866.792.059.152.610.995.5120.086.777.2M14X1.58.872.5100.064.858.110.9104.0130.

6、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。冯小撷皱变义的可能廿用瓣谶鳏纹,受仙误差艳响小嫁睡螺母配合等知差辑可#现可快速拆装与保疆度螺瞳成有螺纹孔的村飘相配合 时.爆度更高可承受落劣俯工作环境允许更厚的镀厚,胞世材程更易加工-首腐蚀后，桃承受更隅的意外搦兴蝶距埔如，甥钗H!都市力卖中诚小党毛棘感响邛成本少.标淮圈陞横且-常fll媒即周鼎通具有授好的械向调节施力相同尺寸F,可提供昭大的锁紧力螺能升曲小，可在救任的招矩下提高厘 肾力.同时而铤临拽松洌性艮有较命的扭祯力和力戒更好逐段牌壁件及备硬度性,螺统可更桎近蜗椎魏不易酰动依据螺栓需要提供的最

7、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，Fma /Fmin=0.12-0.14O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FMzulo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，

8、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/螺母等级匹配螺纹规格螺栓性能等级螺母性能等级M163.6 4.6 4.84WM163.6 4.6 4.85WM395.6 5.8WM396.86WM398.88WM169.89WM3910.910WM3912.912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内螺

9、纹（粗牙）最小啮合长度（螺栓等级不超过10.9）材料最小抗拉强度（硬度HBW）渗碳钢、调质钢1000N/mm2 (315HBW)0.8d调质钢、抗磨硬化钢800N/mm2 (250HBW)1.0 d低合金钢、碳素钢400N/mm2 (120HBW)1.3d可锻铸铁550N/mm2 (180HBW)0.9d球化铸铁500N/mm2 (170HBW)1.0d球化铸铁400N/mm2 (140HBW)1.3d灰铁250N/mm2 (180HBW)1.3d铝镁铸造合金80HBW2.0 d (8.8 级)2.5 d (10.9 级)60HBW2.7 d （不超过8.8级）注：对于细牙螺纹，啮合长度需增加

10、20% o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。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电镀锌电镀锌镣锌铝涂覆标准代号颜色银黄色黑色银色黑色银色黑色银色黑色耐腐蚀性96H白锈/ 240H红锈120H白锈/720H红锈480 H红锈720 H红锈膜厚（顷）8-158-15N8N10摩擦系数

11、U如果需要，0.12-0.180.12-0.18适用1.强度等级W8.8级的螺栓，W10级的螺母强度等级W 8.8 级的螺栓，W10级 的螺母温度载荷增加至 150 C适用与铝材料连 接特别适用高强度螺栓/螺母温度载荷增加至180 C不适用不适用持续温 度高于100C的 环境不适用与镁材料连接不适用有导电性要求的零件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N10.9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

12、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高温 区（N100C）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

13、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)819.1261019.1301320.6331219.1321522.2371422.2361825.4401725.4392131.7481928.6462434.951M6* Example5.45mniSocket ClearanceM6* Example5.45mniSocket Clearance8.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

14、 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）是典型的连接中装配扭矩MA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。 dKi dKi Mo = Fv+ 0四右）AX 1 AX 1 -坛+加- - liK对于沉头以djto十k LM* = Fv:笊4 汕= Fv= Fv 0.16P +也wD.58做+血:瓜(3)mg/mk螺纹副/头下摩

15、擦面分配的力矩，ma=mg+mkUg/u k螺纹副/头下摩擦面摩擦系数u ges螺栓综合摩擦系数，uges=（UG+UK）/2P/d2螺纹螺距/中径下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）Ahm.Si踊FeM.-KI9M4StrengthGrade仲 ont 占习 Asst 白 HibJy preload Pmjb in由句-瓯=AnzielidrehmaimeriflTightening torque 峻 h NmtCir j;k=g =。伽QJOJP120.160.200.24AQB:;10; 1；

16、10；14DJ6眼曰0,24&J97S47,2u皿6:4%4?45:2596,5那?,S：3jg11.110t61GJ910,310:0&:47.6%610,411.91Ss21313#012712h412。11.711.0W.37e乱91。&11.212214.015s510,710.41QW9月孙9.0虬47J9.01QJ11t3心14.11瓦5g15s715s314,9H4-514.1逐12.411-313J214出16.51&020.722.912.91?S.i17,&1律17,016俊14.51悠15417/1码1J24,226b0糜138519.119p61-SJ17.616k51

17、S.51亵21.624g29月34.3龄。MB1g2S.729 80g的土25 .B24.322727.231.8弗卜1姬143饵50.355,日1253S(6S2:S32,031 130122!&426,631,6375422北351,256,965b38.831,030,329,628月27.926,32i,73643485459跚75M 10仍切4,G44 .S心4130眼右6,25397179B71M110町352.150h349 s042,4院73日393101116129d.a46.24号43 JO41.940730,336.963730493102117130M 1210.9瓯3

18、砰853.261-5沧8海52.S92108123137149-17219177,675母74JD72,G7C.Ci1.8108126144侦1752012238.802,060 s659?157,555,9凝49,31001171331皿1631S7207M id&1,089 .&66?784,482J77必75.514617219521B23827430目129106.5104 J1QL5溯月96.0冲叫点171201洒255321湖表8 ISO米制细牙六角螺栓（等粗杆）AbfTLSizsFest.- Klasse Strength G radeMontagevorspann krafle

19、/Ass enbly pre lead FMTd, ii 坤(dr如=Anziehdrehmomenternghten i rig io rqu e 伯 in NmlarK=s =0:00,100,120r140. . r0,200?24LL ：S0S100,12D314Q?16皿200,24MSa.B21,220.720卫1包21B.117.01fl,322,826,129232,037,a41卫K 1io.a31,130 429,728,92a, i26,524.525,433.53Sa342.847 054,360s512.936s435.634733,932.931.029.133t2

20、39.244.950.155.063,67o.a岫27.727.226.525t925.223.722.3河33.238.142.646.954,4607X 110.&40.7as. a39.0aajo37,0S+.9aeje41J4B,955.962.6ee用79.S盼J12.947,7弗.745,6I43,34G.838.440,157,065,473,393,41M3M10S.S35.234.533J32t032,030.223.4394&53&0667585X 110.951.75O:649,548,347,04441 r7576078e9711212512.&60,459.257,9

21、56,5553051:948：867SO103113131147M10S.B33.132.431,630,fl29,92S226.53H二515772SOxl.2510.&48.647,546.445,244,041,438,95565758392106J1812.S56.855,6W吴5?,951/羽s45,56576a?96107124139M12S.B&0.149.148.046.045,643.040,466门90101111129145X 1,2510.973.672.17D,563,753.259.4971161331491641902121迎86.204.4B2,580.47B,

22、373.960再11413515517419Z222240M12S.847,646.645,544,3俱1W.638r26d7607&7107123137X 1,510.&70,068.565,163a359.756.0951121281431&716120212.S81,9BOJ冲7B.274M.865:6I I 13115Q167IBS212236M1467,866.464.863.261.558,154,61041P4142159175203227Kl.S10.999.597.595卫轮3稣4B5.300.21531B220923425729933312.&iiej6r 4111/1&9

23、.7106曲&S3.S17S213244274aoi掘390M16a.e91.4曲6.60585sa,278.674,01591B92110244269au361X 1,510.91342131巧123,7135.5122,3155.5108,723327832036939546151512.9157,1154,0150,614j6,9143,1135,1127.22733253744204!63530603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荐装配扭矩（Nm）4.8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