一、引言

緊固件是汽車最不可或缺的零件，所有汽車都需使用緊固件進(jìn)行連接裝配，其中金屬螺紋連接方式使用最多，且汽車關(guān)鍵的連接部位基本均采用此方式進(jìn)行連接。金屬螺紋連接緊固件設(shè)計的好壞將直接影響整車質(zhì)量，設(shè)計不合理將出現(xiàn)干涉異響、生銹、松動等各種問題。直接導(dǎo)致客戶感知抱怨，嚴(yán)重者甚至?xí)绊懣蛻羯踩榱双@得可靠的緊固連接，本文我們來討論下如何對金屬螺紋連接緊固件進(jìn)行設(shè)計。

二、設(shè)計概述

金屬螺紋緊固件依據(jù)頭部、桿部、尾部及螺紋形式的不同，有非常多的種類，如六角頭螺栓、六角法蘭面螺栓、內(nèi)六角花形盤頭螺釘?shù)取Ｍ瑫r，螺栓 / 螺母的強(qiáng)度等級及表面處理也是多種多樣的，工程師將依據(jù)需求來選擇、設(shè)計緊固件，進(jìn)行最佳匹配，完成最優(yōu)金屬螺紋連接緊固件設(shè)計。一個完整的金屬螺紋連接緊固件設(shè)計，需要根據(jù)以下幾個方面進(jìn)行設(shè)計：

一是螺紋連接軸向預(yù)緊力設(shè)計計算；二是螺栓規(guī)格及強(qiáng)度等級選擇；三是配合螺母的等級及內(nèi)螺紋嚙合長度確定；四是螺栓長度確定；五是表面處理選擇（包括顏色匹配）；六是頭部和末端型式、裝配空間確認(rèn)；七是裝配工藝試驗驗證。

三、金屬螺紋連接緊固件設(shè)計

（一）螺紋連接軸向預(yù)緊力設(shè)計計算

螺栓 / 螺母連接是通過完成裝配后，產(chǎn)生一定的軸向預(yù)緊力，來保證被連接件的固定，傳遞載荷或密封等功能。在設(shè)計選擇螺栓 / 螺母時，對于關(guān)鍵的連接部位，首先必須確認(rèn)需要螺栓提供的軸向預(yù)緊力的范圍。

在確定預(yù)緊力時，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)力不超過螺栓的破壞應(yīng)力，螺栓的應(yīng)力值不超過疲勞極限，連接體裝配后的變形。

高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)軸向預(yù)緊力計算，參照德國工程師協(xié)會出版的 VDI 2230。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)有對應(yīng)計算軟件 MDESIGN，能更快速地計算出所需軸向預(yù)緊力。

（二）螺栓規(guī)格及強(qiáng)度等級選擇

目前螺栓規(guī)格和等級的確定方法主要有以下兩種：

正向設(shè)計和對標(biāo)設(shè)計。

正向設(shè)計：根據(jù)設(shè)計計算，確定螺栓在規(guī)格和等級，底盤等關(guān)鍵的連接部位緊固件需進(jìn)行正向設(shè)計；高強(qiáng)度螺栓連接系統(tǒng)計算，參照德國工程師協(xié)會出版的 VDI2230，具體步驟如表 1。

對標(biāo)設(shè)計：參照自有成熟車型、對標(biāo)車型確定。

通過其螺栓上標(biāo)注的強(qiáng)度等級和測量的螺紋規(guī)格確定。

常用于非關(guān)鍵的連接部位。

另對于螺栓粗細(xì)牙的選擇，需綜合考慮粗細(xì)牙螺紋的優(yōu)劣勢。對于 M6 以上的螺紋，有粗牙和細(xì)牙之分，表 2 列出了各自的優(yōu)劣勢。

根據(jù)以上對比分析，不同的連接位置可按需選擇粗細(xì)牙。建議一般位置選用粗牙，便于拆裝和生產(chǎn)，高剪切力位置可采用細(xì)牙。另螺紋規(guī)格≤ M8 時，不建議使用細(xì)牙。

（三）配合螺母的等級及內(nèi)螺紋嚙合長度確定

螺紋連接件強(qiáng)度匹配設(shè)計原則是，在超擰時失效形式應(yīng)是螺桿斷裂，因為內(nèi)螺紋的破壞不易發(fā)現(xiàn)，且內(nèi)螺紋的損壞帶來的損失較大。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)的等級有 4.8、5.6、5.8、8.8、10.9、12.9 等。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)，同時還與螺紋連接長度有關(guān)。

對于螺母的選擇，需要螺母的保證載荷大于螺栓，按表 3 來選擇。（見表 3）

對于在零件上帶螺紋孔的設(shè)計，需要合理的設(shè)計螺紋的嚙合長度，以保證裝配螺栓時，內(nèi)螺紋有足夠的強(qiáng)度。表 4 是各種內(nèi)螺紋材料所推薦的最小嚙合長度。（見表 4）

（四）螺栓長度確定

螺栓有效長度不能太短，當(dāng)與螺母連接時，應(yīng)保證在與螺母相配后螺栓、螺釘或螺柱末端超出螺母端面至少 2 個螺距的長度（倒角不算完整螺紋）；對于被連接件帶有內(nèi)螺紋的，螺栓的長度要保證足夠的嚙合長度。

螺栓總長也不能太長，當(dāng)與螺母或通孔內(nèi)螺紋連接時，以保證不與其他零件產(chǎn)生干涉；當(dāng)擰入盲孔中時，應(yīng)確保長度不得與盲孔產(chǎn)生干涉。

（五）表面處理選擇（包括顏色匹配）

依據(jù)螺栓 / 螺母所處的環(huán)境、位置及功能要求，選擇表面處理類別及顏色等。緊固件常用的表面處理類別有電鍍鋅、電鍍鋅鎳、鋅鋁涂覆。

電鍍鋅常用顏色有彩虹色、漂白和黑色。彩虹色和黑色防腐性能優(yōu)于漂白，漂白色只用于隨整車進(jìn)行電泳的焊接螺栓 / 螺母，只為了確保運(yùn)輸和存儲過程中焊接螺栓 / 螺母不生銹。彩虹色的鍍層附著力要優(yōu)于黑色，黑色常用于有顏色要求的外觀位置，或為了整車通用化，減少整車緊固件種類而統(tǒng)一緊固件位置。彩虹色性能最優(yōu)，如無特殊要求推薦使用彩虹色鍍鋅。

電鍍鋅鎳常用顏色有銀色（本色）和黑色。兩種防腐、附著力等性能基本一致，黑色價格略貴，常用于有顏色要求的外觀位置，如無特殊要求，推薦使用銀色。

鋅鋁涂覆常用顏色有銀色和黑色。兩種防腐、附著力等性能基本一致，但黑色涂層比銀色厚，常出現(xiàn)通規(guī)通不過問題，且價格貴，所以不推薦使用黑色。

三種表面處理防腐性能，電鍍鋅鎳和鋅鋁涂覆優(yōu)于電鍍鋅。電鍍新常用于車內(nèi)和車門、背門 / 尾門關(guān)閉時，不受高溫、風(fēng)雨、石擊等直接侵害的低腐蝕位置。電鍍鋅鎳和鋅鋁涂覆常用于高溫、高濕、石擊擊傷零部件，或濕熱交變頻繁、動載荷工況較大的高腐蝕位置。由于電鍍鋅鎳價格高于鋅鋁涂覆，所以一般高腐蝕位置推薦使用鋅鋁涂覆，但與鋁材料連接位置，或需要導(dǎo)電位置，或M6以下的螺栓/螺母及內(nèi)槽螺釘，推薦使用電鍍鋅鎳。

（六）頭部和末端形式、裝配空間確認(rèn)

螺栓 / 螺母通常頭部選用六角法蘭面或內(nèi)六花。通常位置推薦使用六角法蘭面頭部，便于安裝，且標(biāo)準(zhǔn)化的頭部尺寸設(shè)計也利于工具的統(tǒng)一，但此頭部需要有足夠的裝配空間。對于裝配空間不足，或有外觀要求，且安裝扭矩較低的位置，推薦使用內(nèi)六花頭部。螺栓螺釘末端形式設(shè)計應(yīng)參照 GB/T 2 緊固件外螺紋零件的末端，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了外螺紋零件如螺栓和螺釘推薦使用的末端形式與尺寸。在使用錐端、截錐端、導(dǎo)向端、圓柱端、刮削端等末端形式時參照此標(biāo)準(zhǔn)，按照標(biāo)準(zhǔn)推薦的尺寸設(shè)計。

（七）裝配工藝試驗驗證

裝配工藝確定的關(guān)鍵兩點：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。

對于關(guān)鍵的連接部位，裝配力矩必須通過設(shè)計計算（VDI2230）及裝配工藝模擬試驗，確認(rèn)裝配工藝滿足設(shè)計軸向力要求。對于一般的螺栓螺母連接，初始釋放動態(tài)扭矩值時可以采用企業(yè)經(jīng)驗推薦扭矩或?qū)?biāo)扭矩，經(jīng)臺架試驗或路試，驗證無問題時，可作為正式動態(tài)扭矩釋放。

綜上所述，新金屬螺紋連接緊固件設(shè)計只需遵循以上七個步驟，就可以完成一個可靠的金屬螺紋連接設(shè)計。

參考文獻(xiàn) :

[1] 孫其俊 . 汽車制動管路螺紋緊固件的扭矩試驗[J]. 汽車工程師 ,2009(8):31-32.

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