紧固件设计选用指南课件

汽车紧固件设计选用指南汽车紧固件设计选用指南汽车/发动机紧固件的重要作用单车上紧固件品种数单车上紧固件重量Kg单车上紧固件总数紧固件成本比例（美国）紧固件成本比例（中国）高强度紧固件比例轿车5005040002.4%1.13%32%中重型卡车5508871002.6%1.39%35%召回案紧固件占比重根据美国《紧固件报告》杂志的统计，售出产品召回案中有80%是由于紧固件问题引起的，其中零件混杂、缺陷以及安装问题和零件设计错误是最主要的肇事原因。下表是一辆汽车中紧固件数量及占整车成本比重统计：汽车/发动机紧固件的重要作用单车上紧固件品种数单车上紧固件重2

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。

紧固件的功能介绍紧固件分为螺纹联接紧固件和非螺

紧固件的功能介绍扭矩轴向预紧力夹紧力

紧固件的功能介绍扭矩轴向预紧力夹紧力

紧固件的功能介绍预紧过紧螺纹牙剪断预紧过松螺栓拧断被联接件静力破坏螺栓疲劳破坏被联接件滑移分离零件质量与成本增加加载加载

紧固件的功能介绍预紧过紧螺预紧过松螺被螺被零加加

顾客对紧固件的要求紧固件功能结构尺寸和形位公差精度抗拉强度、疲劳强度抗蚀性高温强度稳定性（发动机特殊装配部位）环境保护要求防松性能摩擦系数稳定性-装配性能

紧固件的功能介绍良好的经济性

顾客对紧固件的要求结构尺寸和形位公差精度抗拉强度、疲劳强度

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。

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（

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）普通螺纹螺栓中、短螺纹螺栓长、全螺纹螺栓国家军标准螺栓（2）国家标准螺栓螺栓长度范围长度增量螺栓长度范围长度增量螺栓长度范围长度增量螺栓长度范围长度增量≤301≤1002≤121＜61＞12、＜10026-16216-204＞30、＜1002＞1004≥100420-90590-20010≥1004＞20020（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3、螺栓长度增量MJ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。

紧固件的功能实现4、螺纹长度按照ISC/TC

紧固件的功能实现螺纹公称直径MJ螺纹（1）普通螺纹（不含收尾）短螺纹含收尾中螺纹含收尾长螺纹不含收尾螺栓总长≤125200≤螺栓总长＞125螺栓总长＞200≤1250MPa＞1250MPa591212.51616--61014151818--71115162020--811.516.517222228-1014.520.521262632-121622.523.5303036-141926.527.5343440-1620.528.530383844571822.53133424248612024.533.535.5464652652226.53638-5056692429.541.243.5-546073

紧固件的功能实现螺纹公称直径MJ螺纹（1）普通螺纹

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

紧固件的功能实现螺纹精度

紧固件的功能实现螺栓种类普通螺纹MJ螺纹一般短的长的螺纹收尾≤2.5P≤1.25P--≤2P≥1P≥0.6P肩距≤3P≤2P≤4P≤2P+rmax≥1.5P+rmaxP为螺距，r为螺栓头下圆角半径。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。

紧固件的功能实现螺栓种类普通螺纹MJ螺纹一般短的长的螺纹收

紧固件的功能实现螺纹公称直径头下圆角半径普通螺纹螺栓（凸头）MJ螺纹螺栓国军标螺栓国家标准螺栓≤1100MPa≥1250MPa50.1-0.50.20.3-0.50.6-0.860.1-0.50.250.5-0.70.8-1.0-80.6-1.00.40.5-0.70.8-1.0100.6-1.00.40.6-0.81.0-1.2120.8-1.20.60.6-0.91.2-1.4140.8-1.20.60.8-1.11.2-1.4161.3-1.70.60.8-1.11.6-1.8181.3-1.70.61.0-1.31.6-1.8201.8-2.20.81.0-1.31.6-1.8摘自：GJB3371-1998、GB/T3105-2002、ISO/TC20/SC4第718号决议。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。

紧固件的功能实现头下圆角半径普通螺纹螺栓（凸头）MJ螺纹螺

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

紧固件的选用原则根据紧固件的预期用途及功能

紧固件的选用原则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。

紧固件的选用原则强度和刚度

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，螺纹配合要留有间隙，如6g/6H。

紧固件的选用原则螺纹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。

紧固件的选用原则表面防护

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。

紧固件的选用原则具体选择要求：

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。

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。

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。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。

紧固件的选用原则防松

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。

紧固件的选用原则密封

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。材料名称结构钢不锈钢钛合金材料牌号ML35CrMnSiA1Cr17Ni21Cr18Ni9TiTC4TB2TB3温度℃20-10020-100100-200100-200100200导热系数W/m.℃27.6-29.310.316.3-17.66.8-7.48.9-10.911.9-13.6

紧固件的选用原则工作温度结构钢不锈钢钛合金材料牌号ML35CrMnSiA1C紧固件规格的选用在选定紧固件的品种后，还要在每一品种中选定所需的规格。规格应根据工程或产品对连接设计的要求确定，考虑的原则一般有以下3个：紧固件规格（包括直径和长度）应在紧固件标准所列系列中选用，如果标准有两个以上的尺寸系列，应考虑选用第一系列或者商品规格系列。一般不宜选用标准规定以外的长度规格。螺栓与螺母相配时，螺栓的长度应遵循螺栓伸出螺母2-3倍螺距（包括倒角）的原则，但螺栓的总长不宜大于10d（d为螺栓公称直径）。从经济性考虑，应尽可能减少紧固件的规格。对同一工程或产品，可在调查研究的基础上，确定紧固件规格的优选范围，尽可能选用优选范围内的规格。我参观美国佩卡公司重型卡车的装配线感触很深：后桥部分：以M16规格细牙凸缘螺栓为主，长度有几种规格；车架以M16粗牙10.9级螺栓配全金属螺母为主，长度有几种规格，螺母完全一样；驾驶室内共有3种头型螺钉，每种头型的螺钉长度基本都相同，标准化程度非常高。

紧固件的选用原则紧固件规格的选用

紧固件的选用原则螺栓和螺母的选配在ISO/TC20/SC4标准体系中，承拉连接结构中的螺栓和螺母，采用等强度设计的原则，就是说螺母的强度等级应该与螺栓的强度等级相等。例如，强度等级为1100Mpa的螺母应该与强度等级为1100Mpa的螺栓配用。如果二者强度等级不同，在进行强度计算时，则应按较低的强度等级校核。需要注意的是，螺母的强度等级与其材料的抗拉强度可能会不一致。对于高度大于或等于0.8D（D为螺母的公称直径）的标准螺母或厚螺母，螺母材料的抗拉强度会低于螺母的强度等级。例如，强度等级为1100Mpa的标准螺母，材料的最小抗拉强度只有900Mpa，而与之相配的1100Mpa的螺栓材料的最小抗拉强度为1100Mpa。在设计选配时，螺栓应选用抗拉螺栓，螺母应选用标准高度螺母或厚螺母。

紧固件的选用原则螺栓和螺母的选配

紧固件的选用原则

紧固件的功能实现螺栓和螺母的选配抗拉螺栓的基本特点是：螺栓光杆直径可以等于螺纹大径，也可以小于螺纹大径，但不小于螺纹中径。公差很松，一般为h12。螺栓的螺纹长度较长，称为“长螺纹螺栓”。螺栓头部高度较大。

紧固件的功能实现螺栓和螺母的选配在ISO/TC2标准体系或国家标准体系中，几乎全部都是抗拉螺栓。在选配螺栓螺母的机械性能等级时，应遵循“螺栓优先失效的原则”，即螺纹组合的失效形式，要保证因装配超拧而造成的失效形式总是螺杆断裂，而不是螺纹脱扣。因为螺杆断裂是突然发生的，比较容易发现，而螺纹脱扣是逐渐发生的，其潜在的隐患很难发现。对于抗拉螺栓螺母组合中，螺母的高度不能小于0.8D（有效螺纹长度不小于0.6D）。这样的螺母，在螺栓和螺母机械性能等级相同的情况下，能保证在装配时不会出现螺母螺纹脱扣，而是螺栓断裂。因此为了保证螺栓螺母连接的失效形式总是螺杆断裂，在选配机械性能等级时，螺母的性能等级一下要等于或高于螺栓的性能等级。

紧固件的选用原则在ISO/TC2标准体系或国家标准体系中，几乎全部粗牙螺纹紧固件机械性能等级的组合螺母性能等级相配螺栓、螺钉和螺柱螺母1型2型性能等级螺纹规格范围螺纹规格范围43.6、4.6、4.8＞M16＞M16--53.6、4.6、4.8≤M16≤M39--5.6、5.8≤M3966.8≤M39≤M39--88.8≤M39≤M39＞M16≤M3999.8≤M16--≤M161010.9≤M36≤M39--1212.9≤M39≤M39≤M39注：一般来说，性能等级高的螺母可以替换性能等级低的螺母。GB3098.2-2002

紧固件的选用原则粗牙螺纹紧固件机械性能等级的组合相配螺栓、螺钉和螺柱螺母1型细牙螺纹紧固件机械性能等级的组合螺母性能等级相配螺栓、螺钉和螺柱螺母1型2型性能等级螺纹规格范围螺纹规格范围53.6、4.6、4.8≤M39≤M39--5.6、5.866.8≤M39≤M39--88.8≤M39≤M39≤M161010.9≤M39≤M16≤M391212.9≤M16--≤M16注：一般来说，性能等级高的螺母可以替换性能等级低的螺母。GB3098.4-2002

紧固件的选用原则细牙螺纹紧固件机械性能等级的组合相配螺栓、螺钉和螺柱螺母1型有效力矩型自锁螺母与螺栓或螺钉机械性能等级的组合螺母性能等级粗牙螺纹56891012细牙螺纹--68--相配螺栓或螺钉的性能等级≤5.8≤6.8≤8.89.88.810.99.88.812.910.98.8注：一般来说，性能等级高的螺母可以替换性能等级低的螺母，然而不推荐经热处理的全金属锁紧螺母与低性能等级的螺栓组合使用。GB3098.9-2002

紧固件的选用原则有效力矩型自锁螺母与螺栓或螺钉机械性能等级的组合粗牙螺纹56新型紧固件及其应用

Powerlok螺纹其螺纹横截面为三角形锁定螺纹，安装于一个已有的公制ISO螺纹孔（6H公差）。啮入常规的60°螺纹角牙面的是一个小的30°螺纹角的牙尖，其直径已经超出了螺丝的公称直径.这款尖顶螺纹的产品使用在螺纹孔中，它具有以下特点：增强的自锁能力；在已有的钻孔中没有横向或侧向的移动(无间隙)；可以多次使用(多达5次)；作为安装定位和双头连接螺栓时具有良好的自锁能力。我们通过研究和大量的工艺实验，掌握了这种产品的毛坯尺寸设计参数以及丝板设计参数，并已经调试出合格产品，我们的产品将为上海大众配套。新型紧固件及其应用

Powerlok螺纹其高低牙自攻螺钉自攻钉产品具有自锁功能，减少装配体加工螺纹和钻预制孔，大约可节约成本70%以上，是将来的发展方向，我们与螺纹工具制造厂家多次沟通，共同设计搓丝板，精确计算尺寸，对螺距是2.7和3.4的两类螺钉一次实验成功，并且总结出了搓丝板的设计方法和工艺调整方法，为我单位生产此类自攻钉提供了技术支持。新型紧固件及其应用高低牙自攻螺钉自攻钉产品具有自锁功能，新型紧固件及其应用带刮屑槽螺纹螺栓自刮屑螺钉/圆弧收尾螺纹等异形结构螺钉新型紧固件及其应用带刮屑槽螺纹螺栓自刮屑螺钉/圆新型紧固件及其应用大镦锻比双头六角法兰面螺栓

这类产品的特点是头部镦锻比大、杆长，且两端螺纹公称直径差距大，现在已经给轿车公司正式供货。新型紧固件及其应用大镦锻比双头六角法兰面螺栓这类产品的特点是头部镦锻比大内（外）梅花/内（外）多齿搬拧结构的螺栓：大众产品采用此类结构，涉及标准：大众标准VW01048/VW01043，适用于高强度紧固件，可最大限度拧紧。新型紧固件及其应用内（外）梅花/内（外）多齿搬拧结构的螺栓：大众产品采用3530度楔形防松螺纹——防松螺母此类产