浅谈螺栓、螺柱、螺母的相关设计与安装规范化

上海中船三井造船柴油机有限公司 王 军

在现代各行各业，尤其是机械、建筑等行业中，几乎没有什么产品能回避螺栓螺母等紧固件。随着现代工业的高速发展，人们不断总结设计和生产经验，逐渐制订了一系列螺栓螺母的相关标准体系，这其中包括常用螺栓螺母的机械性能、规格尺寸、螺栓孔的设计尺寸和拧紧方式等标准，给设计、加工及安装等工作带来了很大的方便。但由于这些标准体系较为繁琐，而且标准比较分散等原因，给设计及安装等工作带来相对的不便。本文主要针对螺栓螺母的相关设计及安装问题进行总结，使螺栓螺母的设计和安装等更加规范，最终确保产品的品质。

一、螺栓螺母的相关设计

1.螺纹的选用

螺栓螺母的螺纹一般选用牙型角为60°，牙根强度高，具有良好自锁功能的螺纹。螺纹依据的是GB/T 192-2003《普通螺纹基本牙型》国家标准。这种联接螺纹根据螺距的不同，又分为粗牙螺纹和细牙螺纹。细牙螺纹的小径比粗牙螺纹大，因此采用细牙螺纹的螺栓强度高，自锁性能也好。但是，细牙螺纹不耐磨，抗剪切强度低，容易滑扣。一般设计时常用粗牙螺纹；对于薄壁零件、承受振动冲击以及动载荷、精密需要微调机构的场合，一般选用细牙螺纹；在高温部位和采用液压拉伸器进行安装的螺栓、螺纹设计时，为了拆卸方便，一般把螺栓的螺纹大径、中径和小径尺寸设计比相应规格的6g公差尺寸直径稍小，而螺母的螺纹仍然采用6H公差，这样螺栓螺母相配时，间隙相应增大，就会比较容易拆卸。这种设计在船舶柴油机上，特别是排气系统部位的螺栓和采用液压拉伸器拉伸的主要螺栓都有所体现（见表1）。

表1 不同场合所对应的螺纹要求

2.螺栓孔的设计

①螺栓通孔的设计

螺栓通孔的设计主要是孔径尺寸设计，根据装配精度的不同，选用不同直径的螺栓孔尺寸。一般根据GB/T 5277-1985《紧固件螺栓和螺钉通孔》中的中等装配精度设计螺栓孔直径。由于安装的孔径尺寸比相应的标准螺栓六角头下圆角处尺寸小，安装时会产生干涉，所以螺栓通孔的两端应倒角。

在机械等设备的装配过程中，很多采用螺栓头部加平垫圈或弹簧垫圈的情况，但根据GB/T 5782-2000《六角头螺栓》、GB/T 97.1-2002《平垫圈 A级》和GB/T 93-1987《标准型弹簧垫圈》可知，六角头螺栓的头部圆弧处直径大于平垫圈或弹簧垫圈的内径，因此会产生干涉。故在设计、安装时应避免使用上述组合结构，这一点在GB/T 1230-2006《钢结构用高强度垫圈》中有明确的体现，此标准中垫圈采用了内径倒角结构。表2中汇总了螺栓通孔的设计中易产生的问题及解决方法。

表2 螺栓通孔的设计中易产生的问题及解决方法

②螺栓螺纹孔的设计

螺栓螺纹孔设计时，主要是螺纹孔的攻深和钻深尺寸。根据不同的基体材料，相同螺纹的攻深和钻深尺寸是不同的，设计时，螺纹孔的攻深一般按照下式计算：

式中：H1为螺纹孔的攻深，mm

H为螺栓拧入螺纹孔的长度，mm

P为螺纹孔的螺纹螺距，mm

螺纹孔的钻深按照下式计算：

式中：H2为螺纹孔的钻深，mm

D为螺纹孔的螺纹公称直径，mm

为了保证螺栓预紧及承受工作载荷时，不至于螺纹脱扣，不同基体材料的螺栓拧入长度是不同的。一般钢或青铜材料：H＝d；铸铁材料：H＝（1.25～1.5）d；铝合金材料：H＝（1.5～2.5）d，其中H为螺栓的拧入长度，d为螺栓螺纹的公称直径。

具体的螺栓孔设计尺寸可以参照JB/GQ 0126-1980《粗牙螺柱、螺钉的拧入深度、攻丝深度和钻孔深度》和JB/ZQ 4247-2006《普通螺纹内外螺纹余留长度，钻孔余留深度，螺栓突出螺母的末端长度》，这两个标准中有具体规格的螺纹孔攻深、钻深及余留长度等尺寸。而通常设计时，螺栓螺纹伸出螺母的长度，一般按照2～3牙，即2～3倍的螺距长度。

③螺栓孔（通孔或螺纹孔）的其他尺寸设计

螺栓轴线到零件边缘的距离尺寸，一般按照下式计算：

式中：e为螺栓轴线到零件边缘的距离尺寸，mm

二、螺栓螺母的预紧

在安装时，绝大多数螺纹联接都必须拧紧，使被联接件受到压缩，螺栓受到拉伸。这种在螺栓承受工作载荷之前受到的力称为预紧力。预紧的目的是为了提高联接的可靠性、紧密性和防松能力。螺栓螺母的预紧力控制方法主要有：力矩法、螺栓螺母转角法、螺栓伸长量控制法、拉伸法（液压拉伸器拉伸）及其他特殊设计方法，本文主要介绍力矩法、螺栓螺母转角法以及液压拉伸器拉伸法。

1.力矩法

①适用范围和需注意的问题

力矩法是最常用的螺栓螺母预紧力的控制方法，预紧力的精度误差为±25%。但是这种方法费用较低，对于预紧力精度要求不高的场合非常适用。同时，只要螺纹表面较好，没有影响拧紧力矩的毛刺，并且增加螺纹及其端面的润滑，预紧力的精度误差会明显的降低。

②计算

预紧力大小一般根据螺栓组的受力和联接的工况要求决定。一般只承受预紧力的螺栓联接，预紧力为材料屈服极限的75%设计，其他需要承受工作载荷的螺栓，其总拉力按照材料屈服极限的75%设计，通过下式折算出预紧力的数值：

式中：F0为螺栓预紧力

F2为螺栓总拉力

F为螺栓工作拉力

Cb/(Cb+Cm)为螺栓的相对刚度，金属垫片或不用垫片时，取0.2～0.3；铜皮石棉垫片时，取0.8；橡胶垫片时，取0.9。其中Cb为螺栓的刚度，Cm为被联接件的刚度。

计算出预紧力以后，就可以通过下式计算出螺栓螺母的拧紧力矩：

接触的支承面为圆环形状时：

式中：Dw为支承面摩擦扭矩的等效直径对于粗牙普通螺纹，无润滑的情况，粗略计算k一般取0.2，而在有润滑的情况下，若在螺纹部分涂上二硫化钼等，粗略计算k一般取0.12。根据上述公式（6）计算出标准粗牙螺纹、细牙螺纹螺栓、螺母的螺纹摩擦系数μs、支撑面摩擦系数μw与扭矩系数的对照（见图1，摘自GB/T 16823.2-1997标准），设计时根据不同的摩擦系数可以直接查出相应的扭矩系数。一般连接螺栓、螺母的拧紧扭矩在一般场合下也可以参照JB/T 5000.10-2007选用，不必进行精确计算。

图1 螺纹摩擦系数μs、支撑面摩擦系数μw与扭矩系数的对照表图

2.转角法

目前，转角法在特别重要的螺栓联接系统中使用较为普遍，特别是汽车和钢结构等行业。预紧力的精度较高，能够达到±15%以内。本法计算如下：

根据《材料力学》中的虎克定律，在弹性范围内，螺栓的伸长量与预紧力的关系按照下式计算：

式中：Δl为在预紧力作用下螺栓伸长量，mm

L为螺栓的有效长度，见式（11），粗略计算时，取螺栓本身的长度，mm

E为螺栓材料的弹性模量，MPa

A为螺栓的截面积，mm2

其中，螺栓的有效长度L，如图2，根据《美国机械工程师手册》计算如下：

图2 螺栓的有效长度L

式中：dts为螺栓的应力直径，mm

d为螺栓螺纹的公称直径，mm Ls为光杆长度，mm

HB为螺栓头厚度，mm LJ为夹紧长度，mm HN为螺母厚度，mm

而螺栓螺母旋转360°时，上升或下降1个螺距p的高度。因此，在预紧力的作用下，螺栓伸长Δl时，螺栓螺母的旋转角度为：

目前，笔者常用做法是，首先旋紧螺栓螺母，使其与被联接件密贴，拧紧扭矩为100 N.m，根据式（12）计算出旋转的角度。该方法获得的预紧力除了受联接系统的刚度影响外，不受联接件的加工误差、摩擦系数等影响，所以该方法控制预紧力的精度较高。

3.液压拉伸器法

该方法通过液压拉伸器拉伸使螺栓伸长，拧紧螺母后，除去外力达到设计规定的预紧力要求。该方法在船用柴油机上的重要螺栓联接中普遍采用，如主轴承螺栓、气缸盖螺栓、连杆螺栓等，预紧力控制非常精确，可以达到±5%的精度。

目前，船用柴油机上的液压拉伸器的油压可以达到220MPa。设计液压拉伸器时，确定好油压后，关键是设计液压拉伸器的油缸活塞的面积，计算如下：

式中：A1为油缸活塞的面积，mm2

P为液压拉伸器的油压，MPa

三、螺柱的种紧扭矩

螺柱种入机体中，为了保证螺母拆卸时不至于松动，并保证螺柱与机体的垂直度等要求，必须在螺柱种入到机体时，施加一定的种紧扭矩。经查国内没有相关的标准规范，本公司引进国外的专利技术，按照引进的技术要求，制订了带导向端螺柱（如图3）和不带导向端螺柱（如图4）的种紧扭矩相关标准规范（如图5、6）。

图3 带导向端螺柱

图4 不带导向端螺柱

图5 带导向端螺柱的种紧扭矩

图6 不带导向端螺柱的种紧扭矩

若螺柱的长度和直径之比大于5，则根据表格查出的种紧扭矩数值可以降低到25%。在螺柱种入到机体上时，也可以在螺柱的种入端涂上螺纹胶水，特别适用于不经常拆卸的场合。

四、螺栓螺母材料设计

在螺栓螺母组合中，一般螺栓材料的强度会比相配合螺母材料的强度高，而实际使用时，在超载状态下，总是希望螺栓先断裂，而不是螺栓或螺母脱扣（因为螺栓的断裂会突然发生；而螺纹的脱扣则是逐渐发生的，故很难发现，由此会增加因螺栓或螺母失效而造成事故的危险性），因而在设计时螺母材料的强度标准就是一个非常关键的问题。

当螺栓承受的拉伸力为F，螺栓与螺母的有效旋合长度为L，假设螺栓的最小截面直径即为螺纹的小径d1，则根据相关的理论计算出螺栓的拉应力、螺栓螺纹的剪切应力以及螺母螺纹的剪切应力分别为：

螺栓的拉应力：

螺栓螺纹的剪切应力：

螺母螺纹的剪切应力：

式中：k1为螺栓螺母的螺纹完整系数

k2为螺母上螺纹受力的均匀系数

通过上式计算出，螺栓断裂失效时，可以承受的最大拉伸力：

螺栓螺纹脱扣失效时，可以承受最大拉伸力：

式（18）中假定[τ1]＝0.75[σ]，则螺母螺纹脱扣失效时，可以承受的最大拉伸力：

为了保证螺栓首先断裂，则必须有F1＜F2和F1＜F3。一般标准的螺母厚度约为0.8D，即L＝0.8D。根据式（17）、（19）可以得出：

由于式 （20）中D2d1-2>1，取k1＝0.87，k2＝0.7，则螺栓的强度至少可以满足：

因此，螺栓的材料强度至少可以比螺母的材料强度高1.46倍，不会出现螺母螺纹脱扣现象。这一点，在实际螺栓螺母材料的选用中得到了非常充分地证明，如8级的螺母选用35号钢亦可满足强度要求。

五、螺栓、螺柱、螺母的防松现状

1.采用锁紧钢丝进行防松是较为常用的防松方法，而且最简便、经济；

2.采用弹簧垫圈进行防松，也是种常见防松方法。但是根据相关的理论及国外经验分析发现，这种方法效果非常差，而且会加剧松动的趋势，并会损坏精密的加工面，所以本公司在设计时已经禁止采用弹簧垫片的防松方法；

3.螺纹锁固胶防松，效果较好，特别适用于不经常拆卸的场合；

4.对于8.8级及以上性能等级的螺栓，如果其长度和公称直径的比值大于5，在严格控制其预紧力的情况下，可以省略防松元件。这样即使承受冲击载荷，一般还能保证足够的残余预紧力，阻止螺栓、螺母的松动。根据此方法，在设计螺栓时，可以增加螺栓的有效夹紧长度，使其在规定的范围内，而增加的螺栓长度，可以通过增加厚垫圈（定距管）来填补增加的螺栓夹紧长度。这种方法在船用柴油机上大量采用；

图7 NORD-LOCK锁紧垫圈

5.采用NORD-LOCK锁紧垫圈，如图7，防松效果非常明显。目前，该防松方法在船用柴油机上也得到了大量的采用。试验表明该方式的防松效果较其他的防松方式明显提高，特别适用于振动较大的场合。NORD-LOCK锁紧垫圈是由两片相同的垫圈组成一套，每片的上下面带有不同的锯齿。一面为大齿，其齿形斜面角度α大于螺栓的螺纹角β；另一面为较小的密齿。NORD-LOCK锁紧垫圈安装时，要大齿面相对，成对安装，小齿面分别与螺母和被联接件相接触。拧紧螺栓螺母后，振动发生时，大齿面会错动抬升，并由齿形斜面角度α大于螺栓的螺纹角β的原理来锁住螺栓螺母，使之不能松动（如图8）；

图8 NORD-LOCK自锁原理

6.采用自锁螺母进行防松，自锁螺母一般分为非金属（尼龙）嵌件自锁螺母和全金属自锁螺母，非金属嵌件自锁螺母的工作温度为-50℃～120℃，全金属自锁螺母的工作温度为-50℃～300℃。

六、总结

螺栓、螺柱、螺母的设计过程中，应按照标准进行设计计算，确保这些紧固件的系列化、标准化程度，方便加工和安装。

根据不同的使用场合，选取合适的控制预紧力的方法，通过计算，精确地控制预紧力。

选取合适的防松方法，使之防松更可靠、更方便。

通过计算表明，螺母材料可以选择强度低于螺栓材料，实现与螺栓的匹配，这样可以在保证安全的情况下，最大程度地节约材料。

[1]李维荣.常用紧固件产品手册[M].北京:中国标准出版社,2001.

[2]郑江,许瑛.机械设计[M].北京:中国林业出版社,2006.

[3]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,1992.