螺纹紧固件设计手册范本.docx
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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
Fkp=A?
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。
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+AF
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
g=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
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
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*曬僅材料疋易加工
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*咆專少.标滑當磧樓貝
・具有牧姑的输囱却节胞力
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•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
>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 2 1000N/mm(315HBV) 0.8d 调质钢、抗磨硬化钢 2 800N/mm(250HBVV 1.0d 低合金钢、碳素钢 2 400N/mm(120HBVV 1.3d 可锻铸铁 2 550N/mm(180HBVV 0.9d 球化铸铁 2 500N/mm(170HBVV 1.0d 球化铸铁 400N/mm(140HBVV 1.3d 灰铁 2 250N/mm(180HBVV 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) 注: 对于细牙螺纹,啮合长度需增加20%。 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 如有飞溅或咼温区(》100C) 480 720 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 545mm SocketClearance 30ihmSpaceRequired 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)/2 P/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7ISO米制粗牙六角螺栓(等粗杆) Abm・Such Fml- Klas» Stiwigth Grad; 胡eitHg总计商"內|<柿啊占此卯flemblypihelFiiTflhinWNMr缶= AFirielidFehmowmEighteni啊forque叫ihNm1Gt事寓=科$= QJQ& Q.W 012 0.11 Q.1« g o.oe 0.1C Q.13 g.t< DM 赳® 2 T.4 1殳 7jO fi,a 6.4 3 44 5^ ! 4 G5 IOS 11,1 iQje 110.3 10.0 9X S3 C6 7.t B.6 s.s 1(Jh4 11.9 1..: _ 113;0 117 呀 112.0 117 Hh0 10J 7-6 10,0 iu 122 14.0 15.5 fl.8 107 10.J 10^ 紳 9;fl 9.0 札4 77 *0 ioh1 113 12^ 14.1 15,0 MG 10J 15J9 143 1I4..5 141 13,2 12J 1t3 19-2 1J> lets 1ft.O 507 229 12.9 18.4 17J0 币 1TJJ 16.5 1悶 14.6 13^ 16.4 亿4 19.3 2M 24.2 孤日 19.5 10.1 18.1 17.0 15.5 105 21.C 24A 27,3 29.8 34,3 ae.o (Jfl 109 2fl,7 2B0 26月 25A 沖 即 272 31« 码4 J0',i 艸 50.3 56.B 12.9 33.0 32® 324 311 30.2 28.4 a».e 3L@ 372 畑 4" 58.9 B.B 31.0 303 PSJ6 2B.0 27.9 码3 34.7 36 43 54 aa bfl 7B Mio 伽 44A 43,4 422 41.0 Mfi 3S-2 53 S3 71 79 07 100 110 12.9 E3.9 503 4-^4 480 仲 X2.4 62 73 &3 S3 101 116 12S £.3 452 441 侣p 419 407 30^3 35^ -63 73 M 昭 102 117 130 Mi2 10.9 KJ 648 632 6-1r5 598 66^3 52厨 92 108 123 137 14& 172 191 12.9 77.6 75.■& 74^ 7Z0 70.0 108 12ft 144 160 1T5 201 223 8J8 62.0 flo.e 5flh1 57,5 55,9 S2jb 49.3 100 117 133 148 187 207 胡14 dl.O 躺* 62.1 7S.5 146 17£ 1$6 218 23B 274 3Q4 12.$ 100.5 104,1 10\S 9H.9 90.0 171 201 37& Ml 3M 表8ISO米制细牙六角螺栓(等粗杆) Abm.Siz« Fest-KlacfiASlnngibGrid* Montagevorspannkrafte^Assemblyprelo^£i土町kNfur= AnaehdrehmomenteiTight&nitorque臥inNm仙心-.叱- 0ro® 0,10 418 0.14 0,16 0.20 0莎 ■0,06 OJ0 0,12 D/14 0p16 0.33 OJ24 UB a.B 21.2 207 202 w W 18.1 17,0 1«,3 22.S 2«.1 292 320 37,0 41.2 X1 w.s 31,1 304 297 28,9 2BJ 甜同 2S4 33,9 33,3 428 470 54,3 I&0.5 12J 36,4 356 34J i».g 3? r9 31P0 29.1 如 39.2 44.9 S0.1 550 63.6 70,3 U9 叩 2? 2 25,g 25左 22,3 2B.0 33.2 sei 4SS 54.4 607 XI 伽 w 39.9 30.0 MU 37.D 姑号 臺姑 41.1 55.9 b2.6 洌月 79,U tfiJ.i 12.D 477 ^.7 46JS 44.4 43fe3 408 3M 4" &7,0 6M 733 9Q« 03.4 104^ M10 e.B 3&,2 MJB 33.7 32.9 32,0 302 284 30 46 53 60 筒 7B 8& M1 WJ S17 506 W.5 4阳 町卫 444 41J 57 49 78 88 97 112 125 12,0 04 5»2 57.0 56.5 &5.0 51,9 48忑 67 80 Q1 103 113 131 1i7 U1D £.a aaj 3? 4 31fi 3O,S 卿月 2B2 265 3B 44 51 57 S? 72 SC i125 10.9 4fl,6 -7耳 46.4 4-: 44rD 41.4 36.9 5S 65 75 B3 92 106 IIS 12& 5C.8 S56 540 sag 51r4 435 45.5 65 76 67 腑 107 124- 138 M12 乱B &0JI 49.1 48,0 46.0 45启 430 4G.+ 66 和 79 90 101 111 129 145 zljfl 10^ 7a,6 72.t 心 哪 63.2 S3 11b 133 149 *64 100 222 212 12.B 80C2 a 90,^1 7B.3 730 WJ0 1H 136 165 m 网 M12 e.s 47.6 ■15.5 44.3 : ? 1 406 382 C4 78 er 97 I0T 123 137 X1.5 w.o 70.0 685 @69 65.1 63J 597 曲 95 112 12® H3 1ST 101 202 12.9 B1.9 SO1 7B2 76,2 74J &98 111 ■131 ISO 167 1&3 212 230 MU SB €7,8 Sfi4 64,a 63,2 61.5 561 54,6 他 1£4 142 159 17S r 227 x1.5 10.& g? 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