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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
图1通过配合面间的摩擦力传递载荷
(2)螺栓的轴向力Fq用于提供保证密封所需的压力
Fkp=Ad?
Pi
Pi:
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作用时,被联接件仍留有一压力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+△F
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Fmzul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=0.12
(1g=0.20
M6
8.8
11.6
16.1
10.2
9.0
M8
8.8
21.2
29.2
18.6
16.5
10.9
30.4
38.1
27.3
24.3
M8X1
8.8
22.7
31.4
20.2
18.1
10.9
32.5
40.8
29.7
26.5
M10
8.8
33.7
46.4
29.6
26.3
10.9
48.1
60.3
43.4
38.6
M10X1
8.8
37.4
51.6
33.7
30.2
10.9
53.5
67.1
49.5
44.4
M10X1.25
8.8
35.5
49.0
31.6
28.2
10.9
50.8
63.6
46.4
41.4
M12
8.8
48.9
67.4
43.0
38.3
10.9
70.0
87.7
63.2
56.3
M12X1.25
8.8
53.4
73.7
48.0
43.0
10.9
76.4
95.8
70.5
63.2
M12X1.5
8.8
51.1
70.5
45.5
40.6
10.9
73.1
91.6
66.8
59.7
M14
8.8
66.7
92.0
59.1
52.6
10.9
95.5
120.0
86.7
77.2
M14X1.5
8.8
72.5
100.0
64.8
58.1
10.9
104.0
130.0
95.2
85.3
*赴丿卜拯址交罠的可臆性
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*叫根遼拆炭
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•嫌纹可更捲近那堆食
*不易枪动
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Fmax进行粗略估计,对于扭矩控制拧紧,Fma
矩转角控制拧紧,Fma
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。
标准的等级有4.8、56、5.8、8.8、
同时还与螺纹连接长度有关。
标准
2表来选择。
螺栓螺钉的强度主要是由材料及热处理的工艺决定,
[11
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,
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
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
>M16
3.64.64.8
4
3.64.64.8 5 5.65.8 6.8 6 8.8 8 9.8 9 10.9 10 12.9 12 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) 1.0d 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 80HBW 2.0d(8.8级) 2.5d(10.9级) 60HBW 2.7d(不超过8.8级) 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 电镀锌 电镀锌镍 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 480H红锈 720H红锈 膜厚(卩m 8-15 8-15 >8 >10 摩擦系数 □ 如果需要,0.12-0.18 0.12-0.18 适用 1.强度等级w 8.8级的螺栓,w10级的螺母 1.强度等级W8.8 级的螺栓,w10级的螺母 2•温度载荷增加至 150C 3.适用与铝材料连接 1.特别适用高强度螺栓/螺母 2.温度载荷增加至180C 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 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 480 720 发动机仓 如有飞溅或咼温 480 720 区(》100C) 其他位置 240 480 车身外部 所有位置 240 720 乘客仓 所有位置 240 480 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 六角头对边宽度 HexOpening 套筒外径 SocketOD 所需空间的直径 SpaceRequired (Diameter) 8 19.1 26 10 19.1 30 13 20.6 33 12 19.1 32 15 22.2 37 14 22.2 36 18 25.4 40 17 25.4 39 21 31.7 48 19 28.6 46 24 34.9 51 8.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。 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+k)/2 P/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7ISO米制粗牙六角螺栓(等粗杆) Abm.Size Feat„-KlasMStrength McrtagievcirEpannkrBlle/A3Eeniiblyprel-OLad务阳inkNfurjjQ= Anzielidrehmomerrte/Tlighteriingtorque弧irbNmfur蘇三Wg三 0,06 0,10 OJS 0,14 G.16 0^0 0,24 0.06 0.10 0,12 0,H 0,16 0^0 0,24 e.8 7.6 7.4 7.2 7,0 歸 6,4 00 4用 宮卫 6,9 fl.5 7,1 8.1 鲫 M5 10.9 11.1 10s8 1IDp© 10? 3 10,0 9,4 8,8 fi.5 7,6 日月 0.5 10n4 11.9 13左 12.9 13s0 127 12.4 12P0 11,7 11,0 10.3 话 S.9 10.0 11,2 12,2 14.0 15.5 8.8 10.7 W.4 10,2 09 9,6 9,0 8,4 77 9.0 10,1 11,3 12,3 14J 15.8 M6 10S 15,7 15J3 14h9 14.5 14.1 13.2 12.4 11.3 13.2 I4h9 16,5 ie4o 20.7 22.9 12J0 1&.4 17^ 17.5 17,0 16.5 1S.5 14,5 13^ 15.4 17P4 1*3 21J 24.2 竝自 8.8 1&.5 畑1 1BP6 1SJ 17,6 16,5 15,5 1BP5 21.6 24PB 27,3 29.8 34.3 3S,Q Ms 10-9 28.7 28,0 27r3 26P6 25,0 24.3 22J 27,2 71H 36P1 40,1 43 54).3 12.9 33.6 32農 311 30.2 2B.4 26.6 3LB 37.2 42h2 46.9 51.2 &8.9 €Sfl3 8.8 31.0 30 29.6 28.6 27.9 26s3 247 36 43 48 54 59 6® 75 MIO 10.9 45.6 44再 43.4 42^ 41,0 3B,6 362 53 63 71 79 87 100 110 12.9 53.3 52」 50n8 49,4 48,0 45.2 42M 斑 73 83 9G 101 116 129 8.8 45.2 44;1 43? 0 41? 9 40,7 3B,3 35b9 S3 73 @4 S3 102 117 130 Mi£ 10.9 6^.3 94再 63,2 61p5 59,0 &6,3 昭月 陛 10® 123 137 149 172 191 12S 77.6 70Ji 74k0 72P0 710,0 65.6 61^ 106 126 144 160 175 201 223 9.9 604 W.1 57.5 55.9 52,C 49h3 100 117 133 1帕 162 1S7 207 M14 10.9 91,0 aafi 667 84.4 92J 77,2 72,5 146 172 195 2ie 238 274 M4 12.9 1M.5 104.1 101,5 sew &0.4 171 201 泗 £56 27& 351 表8ISO米制细牙六角螺栓(等粗杆) Abm.Size Fe$t.- StrengthGrade preload kNKJr/ifl- AhEiehdrehmom^nie/n^hi^nih^to«iueAl^inNmfor岭=%= 0,09 0,10 0,12 0rl4 0r16 0,20 0.24 0,10 0,12 011 0,16 0,20 0.24 M8 88 21.2 20.7 20.2 19J 192 181 17h0 19.3 22.8 26.1 292 32.0 37,0 41,2 X1 109 31.11 30.4 29.7 28.9 2®J 265 24,9 2B.4 33.5 38,3 42.0 47.0 54.3 60.5 12.9 36,4 35,6 34,7 33.9 32* 3h0 29,1 33,2 39,2 44,9 50.1 55,0 63h6 70,8 M9 88 27.7 27,2 26,5 25.9 252 237 22P3 28,0 33,2: 38」 42.6| 46,9 54P4 60,7 x1 10.9 407 39,9 3S,0 38.0 37J) 34,9 32.9 4“ 48J 55s9 62.6 6S.S 79f8 89,1 129 47,7 46,7 45,6 44.4 433 40,8 38呂 48.1 57,0 65s4 73,3 eor6 93f4 104,3 M1Q 88 35^ 34,5 aa.7 32.9 32.0 30总 28,4 愛 46 53 60 nn 76 85 xi io.d 5U M,6 49.5 细3 47,0 44,4 41,7 57 7fl OS 97 112 12fi 12.9 60,4 59,2 57,9 56.5 55f0 51,9 48.9 67 BO 91 103 113 131 147 MIO 8$ 33.1 ^2,4 31,6 3G.8 20,0 26.2 26r5 3® 44 51 57 62 72 80 X侮 ioe 48.fi 47,5 4M 4裁 44,0 41,4 38J9 55 65 75 &3 般 106 11$ 12/0 55,6 54,3 52.9 51,4 43,5 45h5 65 76 87 dB 107 124 13S M12 0.9 saj 49,1 4fl,0 46.S 450 电Q 40/4 閑 79 9Q 1Q1 111 129 145 j.1.25 1Q,9 73再 72,1 70,5 &8.7 66,9 63,2 59冲 97 116 133 149 164 190 212 12.9 &62 54,4 S2,5 SO4 78h3 73.9 99,5 114 135 155 174 192 222 249 M12 88 47,6 46,6 45,5 44.3 43r1 40,6 38左 ■■- 76 87 97 107 123 137 x1,5 10.9 70,0 醐5 66,8 654 633 597 56,0 95 112 12B 143 157 181 202 129 81,9 80,1 78.2 76,2 74.1 69,8 65rfi 111 131 150 167 1&3 212 23& M14 88 67,6 66,4 64占 632 61,5 56,1 54p6 104 124 142 159 175 203 227 x1,5 10.9 99^5 ft7,5 9572 &2.9 904 65,3 90仝 153 162 209 234 2S7 299 333 129 116,5 114,1 111.4 100.7 105r8 99,8 93: 9 179 213 244 274 301 349 390 M16 8B 01,4 dd,6 a? ne S5f5 83r2 7fl,6 74k0 150 169 ? 1S 244 26G 314 361 x1,5 109 134^ 131,6 128.7 125,5 122p3 155,5 108,7 233 270 320 359 396 461 515 伦甘 157,1 154,0 150,6 14£,9 143,1 135,1 1砂 373 325 374 420 463 eoa 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 推存装配扭矩(Nm) 4.8级 8.8级 10.9级 M4 1.5-2 2.5-3 / M5 3-4 5-7 6-9 M6 5-7 7-10 8-12 M8 10-15 19-25 26-34 M10 22-28 40-50 50-65 M12 38-45 75-90 90-110 M14 / 110-135 140-170 M16 / 160-200 230-270 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 最小破坏力矩 SIZE Minimumbreaketorqur(Nm) ST2.9 1.5 ST3.5 2.7 ST4.2 4.4 ST4.8 6.3 ST5.5 10 9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
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