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文檔簡(jiǎn)介

1、螺紋緊固件設(shè)計(jì)手冊(cè)1. 螺紋緊固件設(shè)計(jì)概述螺紋緊固件依據(jù)頭部、桿部、尾部及螺紋形式的不同,有非常多的種類(lèi);同時(shí),螺栓/螺母的強(qiáng)度等級(jí)及表面處理也是多種多樣的,工程師將依據(jù)需求來(lái)選擇、設(shè)計(jì)緊固件。一個(gè)完整的設(shè)計(jì),需要進(jìn)行如下設(shè)計(jì)校核:1)螺紋連接軸向預(yù)緊力設(shè)計(jì)計(jì)算2)螺栓規(guī)格及強(qiáng)度等級(jí)選擇3)配合螺母的等級(jí)及內(nèi)螺紋嚙合長(zhǎng)度確定4)螺栓長(zhǎng)度確定5)表面處理選擇6)頭部形式及裝配空間確認(rèn)7)裝配工藝試驗(yàn)驗(yàn)證2. 螺紋連接預(yù)緊力設(shè)計(jì)計(jì)算螺栓/螺母連接是通過(guò)完成裝配后,產(chǎn)生一定的軸向預(yù)緊力,來(lái)保證被連接件的固定,或傳遞載荷或密封等功能。在設(shè)計(jì)選擇螺栓/螺母時(shí),對(duì)于關(guān)鍵的聯(lián)結(jié)部位,首先必須確認(rèn)需要螺栓提供

2、的軸向預(yù)緊力的范圍。在確定預(yù)緊力時(shí),應(yīng)考慮下列因素:最小預(yù)緊力滿足功能要求最大等效應(yīng)力不超過(guò)螺栓的破壞應(yīng)力螺栓的應(yīng)力幅不超過(guò)疲勞極限聯(lián)接體裝配后的變形下面是一些常見(jiàn)的連接形式中,最小軸向預(yù)緊力的計(jì)算:(1)螺栓的軸向力FKQ通過(guò)配合面產(chǎn)生的靜摩擦力,用以傳遞切向載荷FQ或扭矩MY,q為配合面數(shù)量。:配合面的摩擦系數(shù)ra:摩擦半徑,對(duì)于車(chē)輪螺栓為PCD/2圖1 通過(guò)配合面間的摩擦力傳遞載荷(2)螺栓的軸向力FKp用于提供保證密封所需的壓力 Fkp=ADPiPi:密封介質(zhì)的壓強(qiáng)AD:密封面積(3)防止張開(kāi)所需的軸向力FV,在有軸向外力FA作用時(shí),被聯(lián)接件仍留有一壓力FKR 。 FV=FPA+FKR

3、圖2 軸向外力在螺紋聯(lián)結(jié)體上的分布圖同時(shí)還要考慮工作中預(yù)緊力的變化F: * 材料壓陷或松弛,預(yù)緊力減小FZ* 由于溫度變化,在螺栓和被連接件間產(chǎn)生熱膨脹差,導(dǎo)致預(yù)緊力發(fā)生變化Fvth綜合考慮上述所有因素,所需的螺栓最小軸向力Fmin=FKQ+FKP+FV+F (1)3. 螺栓規(guī)格及強(qiáng)度等級(jí)確定螺栓在裝配擰緊時(shí),處于拉扭符合的應(yīng)力狀態(tài),其屈服軸力和破壞軸力都小于單純拉伸時(shí)螺栓的載荷。 對(duì)于采用扭矩法擰緊的連接,螺栓的等效應(yīng)力最大可到屈服點(diǎn)90%,螺栓能承受的最大軸向預(yù)緊力FMzul與螺紋副的摩擦系數(shù)G有關(guān),表1為常用螺栓的保證載荷、最小拉力載荷及允許的最大裝配軸力(等粗桿螺栓)。 (2)D2螺紋

4、中徑D0螺桿部最小截面直徑G螺紋副摩擦系數(shù)表1 螺栓強(qiáng)度等級(jí)、保證載荷、最小拉力載荷及允許的最大裝配軸力(等粗桿螺栓)螺紋規(guī)格強(qiáng)度等級(jí)保證載荷(kN)最小拉力載荷(kN)允許的最大裝配軸力(kN)G=0.12G=0.20M68.811.616.110.29.0M88.821.229.218.616.510.930.438.127.324.3M8×18.822.731.420.218.110.932.540.829.726.5M108.833.746.429.626.310.948.160.343.438.6M10×18.837.451.633.730.210.953.567

5、.149.544.4M10×1.258.835.549.031.628.210.950.863.646.441.4M128.848.967.443.038.310.970.087.763.256.3M12×1.258.853.473.748.043.010.976.495.870.563.2M12×1.58.851.170.545.540.610.973.191.666.859.7M148.866.792.059.152.610.995.5120.086.777.2M14×1.58.872.5100.064.858.110.9104.0130.095.2

6、85.3 對(duì)于M6以上的螺紋,有粗牙和細(xì)牙之分,下表列出了各自的優(yōu)劣勢(shì)??梢罁?jù)需求選用。依據(jù)螺栓需要提供的最小軸向預(yù)緊力,考慮到將要采用的裝配工藝和工具,對(duì)可能產(chǎn)生的最大軸向力Fmax進(jìn)行粗略估計(jì),對(duì)于扭矩控制擰緊,F(xiàn)maxFmin;對(duì)于扭矩轉(zhuǎn)角控制擰緊,F(xiàn)maxFmin??赡墚a(chǎn)生的最大軸向力Fmax必須小于螺栓裝配時(shí)允許的最大裝配軸力FMzul。4. 配合螺母的等級(jí)及內(nèi)螺紋嚙合長(zhǎng)度螺紋連接件強(qiáng)度匹配設(shè)計(jì)原則是,在超擰時(shí)失效型式應(yīng)是螺桿斷裂,因?yàn)閮?nèi)螺紋的破壞不易發(fā)現(xiàn),且內(nèi)螺紋的損壞帶來(lái)的損失較大。螺栓螺釘?shù)膹?qiáng)度主要是由材料及熱處理的工藝決定,標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)有4.8、5.6.、5.8、8.8、10.

7、9、12.9等1。但內(nèi)螺紋的強(qiáng)度不只是與材料及熱處理的工藝有關(guān),同時(shí)還與螺紋連接長(zhǎng)度有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)的螺母的強(qiáng)度等級(jí)有4、5.、6、8、10、12等2、3。對(duì)于螺母的選擇,需要螺母的保證載荷大于螺栓,按2表來(lái)選擇。表2 螺栓/螺母等級(jí)匹配螺紋規(guī)格螺栓性能等級(jí)螺母性能等級(jí)M163.6 4.6 4.84M163.6 4.6 4.85M395.6 5.8M396.86M398.88M169.89M3910.910M3912.912注:性能等級(jí)高的螺母可替換性能等級(jí)低的螺母。對(duì)于在零件上帶螺紋孔的設(shè)計(jì),需要合理的設(shè)計(jì)螺紋的嚙合長(zhǎng)度,以保證裝配螺栓時(shí),內(nèi)螺紋有足夠的強(qiáng)度來(lái)匹配。下表是各種內(nèi)螺紋材料所需的最小嚙

8、合長(zhǎng)度。表3 各種內(nèi)螺紋材料所需的最小嚙合長(zhǎng)度內(nèi)螺紋(粗牙)最小嚙合長(zhǎng)度(螺栓等級(jí)不超過(guò)10.9)材料最小抗拉強(qiáng)度(硬度HBW)滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼1000N/mm2(315HBW)0.8d調(diào)質(zhì)鋼、抗磨硬化鋼800N/mm2(250HBW)1.0 d低合金鋼、碳素鋼400N/mm2(120HBW)1.3d可鍛鑄鐵550N/mm2(180HBW)0.9d球化鑄鐵500N/mm2(170HBW)1.0d球化鑄鐵400N/mm2(140HBW)1.3d灰鐵250N/mm2(180HBW)1.3d鋁鎂鑄造合金80HBW2.0 d(8.8級(jí))2.5 d(10.9級(jí))60HBW2.7 d(不超過(guò)8.8級(jí))注:對(duì)

9、于細(xì)牙螺紋,嚙合長(zhǎng)度需增加20%。 5. 螺栓長(zhǎng)度1)螺栓有效長(zhǎng)度不能太短:至少保證完整螺紋伸出螺母2-3牙(倒角不算完整螺紋);對(duì)于被連接件帶有內(nèi)螺紋的,螺栓的長(zhǎng)度要保證上一章節(jié)中的嚙合長(zhǎng)度。2)螺栓總長(zhǎng)L不能太長(zhǎng):螺栓不與其他零件產(chǎn)生干涉。6. 表面處理 依據(jù)螺栓/螺母所處的環(huán)境、位置及功能要求,選擇表面處理類(lèi)別及顏色等。 6.1 常用類(lèi)別緊固件常用的表面處理類(lèi)別有電鍍鋅、電鍍鋅鎳、鋅鋁涂覆,主要技術(shù)要求見(jiàn)表4。表4 緊固件常用表面處理電鍍鋅電鍍鋅鎳鋅鋁涂覆標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)顏色銀黃色黑色銀色黑色銀色黑色銀色黑色耐腐蝕性96H 白銹/240H 紅銹120H 白銹/720H 紅銹480 H 紅銹720

10、 H 紅銹膜厚(m)8-158-15810摩擦系數(shù)如果需要,適用1.強(qiáng)度等級(jí)8.8級(jí)的螺栓,10級(jí)的螺母1.強(qiáng)度等級(jí)8.8級(jí)的螺栓,10級(jí)的螺母2.溫度載荷增加至1503.適用與鋁材料連接1.特別適用高強(qiáng)度螺栓/螺母2.溫度載荷增加至180不適用不適用持續(xù)溫度高于100的環(huán)境不適用與鎂材料連接1. 不適用有導(dǎo)電性要求的零件2. M6以下的螺栓/螺母及內(nèi)槽螺釘6.2 設(shè)計(jì)規(guī)則 依據(jù)緊固件的使用部位及功能要求,按下面的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓,除非外觀有特殊要求,表面處理采用鋅鋁涂覆;對(duì)于可視件,除非高強(qiáng)度螺栓,表面處理采用電鍍鋅或電鍍鋅鎳。表5 各部位緊固件耐腐蝕性要求車(chē)輛部位零件

11、安裝位置鹽霧試驗(yàn)時(shí)間(小時(shí)),紅銹一般件可視件底盤(pán)所有位置480720發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)如有飛濺或高溫區(qū)(100)480720其他位置240480車(chē)身外部所有位置240720乘客倉(cāng)所有位置240480對(duì)于可視件,其外觀顏色需考慮與周?chē)伾钠ヅ?。與鋁制件或淺色件匹配的零件采用銀色,與黑色塑料或油漆件匹配的采用黑色,如有多種色調(diào),緊固件采用黑色。對(duì)于接地螺釘,為了保證良好的導(dǎo)電性,只能用透明的鈍化劑。7. 頭部形式及裝配空間螺栓/螺母通常頭部選用六角法蘭面或六角頭,依據(jù)裝配時(shí)產(chǎn)生的最大軸向力計(jì)算支撐面承受的最大壓應(yīng)力,不能超出支撐面的抗壓極限。同時(shí)需要考慮裝配空間是否足夠。表6是一般的需求。如果確認(rèn)裝配空

12、間有問(wèn)題,可采用內(nèi)六角或內(nèi)六花頭部形式。表6 六角頭對(duì)邊寬度與需要的裝配空間六角頭對(duì)邊寬度Hex Opening套筒外徑Socket OD所需空間的直徑Space Required (Diameter)819.1261019.1301320.6331219.1321522.2371422.2361825.4401725.4392131.7481928.6462434.9518. 裝配工藝參數(shù)的確定裝配工藝確定的關(guān)鍵兩點(diǎn):裝配產(chǎn)生的最小軸向預(yù)緊力滿足功能要求、最大不能超出螺栓允許的載荷。螺紋緊固件的裝配方法有為扭矩法、扭矩轉(zhuǎn)角法及扭矩率控制法。扭矩轉(zhuǎn)角法及扭矩率控制法可以更好的控制螺栓的裝配軸向

13、力,更高的利用螺栓的強(qiáng)度,但對(duì)設(shè)備的要求也較高。多用在發(fā)動(dòng)機(jī)或底盤(pán)的關(guān)鍵連接部位。扭矩法控制是最為常用的裝配工藝,公式(3)是典型的連接中裝配扭矩MA與裝配預(yù)緊力FV的關(guān)系。依據(jù)螺紋的尺寸規(guī)格、強(qiáng)度等級(jí)及摩擦系數(shù)范圍,可確定螺栓的最大允許裝配力矩。 對(duì)于沉頭(3)MG/MK螺紋副/頭下摩擦面分配的力矩,MA=MG+MKG/K螺紋副/頭下摩擦面摩擦系數(shù)ges螺栓綜合摩擦系數(shù),ges=(G+K)/2P/d2螺紋螺距/中徑下表是按照理論公式計(jì)算得到的六角螺栓在不同的摩擦系數(shù)下的允許使用的最大預(yù)緊力和最大裝配扭矩。 表7 ISO米制粗牙六角螺栓(等粗桿)表8 ISO米制細(xì)牙六角螺栓(等粗桿)必須強(qiáng)調(diào)的

14、是,對(duì)于關(guān)鍵的連接部位,裝配力矩必須通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算及裝配工藝模擬試驗(yàn),確認(rèn)裝配工藝滿足設(shè)計(jì)軸向力要求。對(duì)于一般的螺栓螺母連接,初始釋放動(dòng)態(tài)扭矩值時(shí)可以采用以下表格推薦的扭矩,經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)或路試,驗(yàn)證無(wú)問(wèn)題時(shí),可作為正式動(dòng)態(tài)扭矩釋放。表9 推薦裝配扭矩螺紋規(guī)格推薦裝配扭矩(Nm)4.8級(jí)8.8級(jí)10.9級(jí)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對(duì)于自攻螺釘?shù)难b配力矩,最大裝配扭矩不能超過(guò)其

15、規(guī)定破壞力矩的75%。表10 自攻螺釘?shù)淖钚∑茐牧刈怨ヂ葆斠?guī)格SIZE最小破壞力矩Minimum breake torqur(Nm)ST2.91.5ST3.52.7ST4.24.4ST4.86.3ST5.5109 螺紋連接中常見(jiàn)的失效形式及預(yù)防措施 下表列出了螺紋連接中常見(jiàn)的失效形式主要的失效原因,及從設(shè)計(jì)的角度采取的預(yù)防措施。表11失效形式失效原因預(yù)防措施設(shè)計(jì)考慮裝配中螺栓拉長(zhǎng)、斷裂1. 螺栓強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、裝配扭矩不匹配2. 螺栓強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、裝配扭矩未滿足規(guī)范要求螺栓強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、裝配扭矩匹配裝配中內(nèi)/螺紋滑牙1. 內(nèi)螺紋嚙合長(zhǎng)度不足2. 內(nèi)螺紋強(qiáng)度低3. 內(nèi)/外螺紋尺寸超差螺紋嚙合長(zhǎng)度與材料強(qiáng)度匹配工作中螺栓/螺母未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),但扭矩明顯降低被連接件發(fā)生了壓潰、或磨損。1 增大承壓面積

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