了解螺纹紧固件的基础知识

任务描述

在汽车领域中，很多零部件都是采用螺纹连接的方式进行连接的，了解螺纹紧固件的基础知识，可以帮助维修人员更加快捷地拆卸、更换和装配机件。

任务目标

完成本任务的学习后，你应能：

★描述螺纹紧固件的分类和标注规定；

★识别螺栓的各强度等级；

★记住螺纹紧固件防松锁止的措施。

建议学时：6学时。

相关知识

一、螺纹紧固件的功用和类型

●功用：螺纹紧固件是各行各业都普遍使用的零件，在汽车上通过螺纹紧固件把各零部件有效地连接和紧固起来，这样可以保证各零部件被夹紧，避免在高速运转和受力情况下的相对位移。螺纹紧固件之所以可以连接紧固，都是依靠内外螺纹连接，两端的力F互相牵制并相等，如图4-1所示。

●标记：常用的螺纹为普通公螺纹，标记格式为：

例如：M 20×2-L-6e7h

其中，M：螺纹类型为普通螺纹；

20：公称直径为20 mm ；

L：螺纹旋合长度为长旋合长度；

6e和7h：分别表示中径和顶径公差带代号。

螺纹旋向多为右旋螺纹，一般省略不写；若为左旋螺纹，则必须标符号“LH”。

友情提示

螺纹有细牙螺纹和粗牙螺纹之分，细牙螺纹占用空间小，自锁性好，用于薄壁零件和对防振要求比较高的零件，但螺纹牙深度较浅，承受力不大；粗牙螺纹强度高，互换性好，具有较大的紧固力。只有细牙螺纹才标螺距，粗牙螺纹不标螺距。  

图4-1  螺栓连接受力图

●类型：螺纹紧固件的种类较多，常用的有六角头螺栓、双头螺栓、螺钉、螺母和垫圈等，如图4-2所示。

图4-2  螺纹紧固件类型

●连接方式：

◆螺栓连接的结构如图4-3所示。

图4-3  螺栓连接

特性：被连接件的通孔和螺栓杆之间有间隙，所以孔加工精度可以低一些，不用在被连接件上切制螺纹，故不受被连接件材料的限制，加工简单，成本低，拆装方便。

应用：主要用于通孔并能从连接的两边进行装配的场合，应用最为广泛。

◆双头螺柱连接的结构如图4-4所示。

特性：双头螺柱一端旋紧在连接件的螺孔里，比较便于拆装。

应用：用于有较厚被连接件或要求结构紧凑的场合，螺柱旋入端的螺纹终止线应与两被连接件结合面平齐，即图4-4画圈的地方，表示旋入端已拧紧。

◆螺钉连接的结构如图4-5所示。

特性：不用螺母，本身重量较轻，在螺钉尾部一端的连接件外部有光整的外露表面，但经常拆装，会使螺纹孔磨损，导致被连接件过早失效。

图4-4  双头螺柱连接

图 4-5  螺钉连接

应用：与双头螺柱类似，但不适用于经常拆装的情况。

◆紧定螺钉连接的结构如图4-6所示。

特性：紧定螺钉旋入一零件的螺纹孔里，并用其末端顶住另一个零件的表面或顶入相应的凹坑中。

应用：适用于固定两个零件的相对位置，也可传递力或扭矩不大的零件，多用于固定轴上零件的相对位置。

图 4-6  紧定螺钉连接

二、螺纹连接的拧紧力矩和预紧力控制

在实际应用中，绝大多数螺纹连接在装配时都要预紧，目的在于增强连接的可靠性、紧密性和防松能力，从而防止受到横向载荷后使被连接件之间出现缝隙或发生相对滑动。所以选择适当的较大预紧力，这对于提高螺纹连接的可靠性非常有必要。

预紧力的大小则根据螺栓组受力和连接的工作要求决定。一般规定：拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得大于其材料屈服点的80%。预紧力大小及转角是根据材料力学中的螺栓伸长量与预紧力的关系（称为虎克定律）计算出来的，但预紧力过大则会使连接件在装配或偶然过载时拉断，所以预紧力不是越大就越紧固。因此，在保证连接件预紧力的同时，又不要使连接件过载，在螺纹连接装配时都必须要控制预紧力。

控制预紧力有以下3种方法：

●力矩法：力矩法是经常应用的预紧力控制方法，预紧力控制精度的控制误差为±25%，一般适用于预紧力要求不高的场合。

●转角法：目前，转角法在重要的螺栓连接系统中使用极为普遍，特别是汽车行业。使用这种方法的预紧力精度较高，误差能够在±15%以内。

●液压拉伸器方法：该方法通过液压拉伸器拉伸螺栓长度，然后拧紧螺母后除去外力，从而达到设计规定的预紧力要求。这种方法一般应用于柴油机和大型大功率的内燃机，预紧力精度可达到±5%以内。

友情提示

现在更多采用分3次，每次旋转多少角度来控制预紧力，因为这种做法可以达到较高精度的预紧力。

在利用螺栓长度来控制预紧力时，螺纹的旋合长度直接影响到预紧力矩的大小。

三、螺栓和螺母

1.螺栓

●组成：螺栓一般不单独使用，要与螺母和垫圈一起配合使用。螺栓各组成部分如图4-7所示。

以M 10×1.5 -4T为例：

图4-7  螺栓各组成部分

其中，M：普通公制螺纹（若为S，则表示小螺纹；UNC表示统一粗牙螺纹）；

10：公称直径，也可以称为螺纹大径；

1.5：螺距；

4T：强度等级，强度等级一般标在螺栓的头部。

●类型：常用的螺栓有如下几种：

①六角头螺栓：是应用最普遍的一种螺栓，时常在螺栓头下面放法兰盘、垫圈，以加大与工件的接触面积，分散接触压力，同时垫圈有一定的弹性，可以防止松动、减少疲劳受损等，这样可以起到保护零件的作用。

②双头螺栓：双头螺栓两端有螺纹，中间为螺杆，螺纹牙型可为粗牙也可为细牙。其主要用于对零件的定位，更换比较方便，可连接厚度较大的零件。

在拆装时，先将两个螺母拧入两头的螺栓处，并用两个扳手锁紧，用一个扳手固定锁死一边的螺母，然后用另一个扳手按拧松方向转动另一个螺母，则螺栓被拆下。反之用一个扳手固定锁死一边的螺母，再用另一个扳手按拧紧方向转动另一个螺母，则螺栓被装入固定。

③U形螺栓：两端都有螺纹，也称U形卡，如图4-8所示。其主要用于固定管道，连接两个固定件，如用在钢板弹簧与车桥的连接口。常与螺母、垫圈一起使用。

④塑性区螺栓:属于特殊用途的螺栓，能提供加强轴向张力，稳定性好，防止松动和震动的能力强,如图4-9所示。例如，汽车发动机的缸盖螺栓多为十二角花形或内十二角花形螺栓。

图4-8  U形螺栓 

图4-9  塑性区螺栓

●螺栓的强度等级：

◆标记方法

螺栓的强度等级一般标注在螺栓或螺田的头部，方便辨认。通常英制螺栓的头部制用径向射线来标明强度，径线数加2即为螺栓的强度，这种分级称为SAE级。米制螺栓的头部标用数字来标明强度，数字越大，螺栓的强度越大，如图4-10所示。螺母的标记方法基本一致，但5级强度一般不标注。

强度等级由带有小数点的两位数或三位数组成，小数点左边那位数表示最小抗拉强度的1%，小数点右边那位数表示最小屈服点与最小抗拉强度之比的10倍。两个数的乘积为最小屈服强度的1/10。但标准螺母的强度等级可以用一个数字表示，即同一机械强度的螺纹紧固件最小抗拉强度的1%，见表4-1。

友情提示

一般螺栓可以拉伸到其弹性极限的70 %，过度紧固会使螺纹变形和拧动困难，过小紧固力会使被紧固件松动。            

图4-10  螺栓强度等级

表4-1  螺纹紧固件的强度级别和组合

续表

友情提示

①对规定强度级别的螺栓和螺母在图纸中只标注强度级别，不应标出材料牌号。

②按机械性能分级的，当d≥M5的螺栓、螺母在产品上制出标记（与上面相同），允许不制出标记的按GB 38—76或GB 61—76规定。

③表中螺母的强度级别仅适用于H≥0.8d的螺母。选材时应使螺母材料比螺栓低一级，硬度在20～40HB，以免咬死减少磨损。

④强度级别由数字表示，小数点前的数字为δbmin/10，小数点后的数字为屈强比（δs min/δb min）。

⑤另按GB 3098.1-s2、GB 3098.2—82的补充规定。

◆提高螺纹强度的措施

螺纹连接的强度主要是由连接的螺栓强度决定的。影响螺栓强度的因素有很多，如材料、自身结构、尺寸、工艺、螺纹牙间、载荷分布、应力幅度、机械性能等，因此提高螺纹连接强度的措施有以下几方面：

①改善螺纹牙型间载荷分布不均匀的现象。

工作中螺栓牙要抗拉伸长，螺距变大，而螺母牙受压缩短，螺距变小。伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应力也最大，其余各圈（螺距P）依次递减。旋合的圈数越多，载荷分布不均越严重。

改善载荷分布不均的方法有以下几种：

a.采用悬置螺母，螺母的旋合部分全部受拉，与螺栓变形协调，使载荷分布均匀；

b.采用环槽螺母，螺母开割凹槽后，螺母与螺栓旋合处受拉，但效果没有悬置螺母好；

c.采用内斜螺母，螺母上螺栓旋入端倾斜10°～15°，使接触圈减少，载荷上移。

②减小应力集中。

在螺栓的螺纹牙部分、螺纹的收尾处、螺栓头部与螺栓杆的过渡处等均可能产生应力集中。为了减少应力集中，可以采用较大的过渡圆角，也可以在螺纹收尾处加工出螺纹退刀槽。

③采用合理的制造工艺。

碳氮共渗氰化、氮化、喷丸等表面处理，也可提高疲劳强度；或者用热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度可以提高70%～100%，此法具有优质、高产、低消耗功能，还可以用于控制单个螺距误差和螺距累积误差。

④采用特殊结构的螺母。

采用环槽螺母和内斜螺母的效果比较明显，但螺母加工困难，适用于大型的连接。

2.螺母和垫圈

要使被连接件紧固性更好，螺栓要与螺母和垫圈配合使用。

（1）螺母

常用的螺母有六角形螺母、盖螺母、开槽螺母等，如图4-11所示。

图4-11  螺母的常用类型

（2）垫圈

垫圈位于螺栓与螺母之间，分为平垫圈、弹性垫圈、组合垫圈等，与螺栓、螺母配合使用，防止松动的还有开口销、紧锁片等，如图4-12所示。

想一想

在实际维修中，垫圈、开口销和紧锁片等要经常检查更换吗？

友情提示

为了防止发动机油底壳与机体之间结合部位漏油，无论有密封垫还是没有密封垫，装配油底壳时，若所有的螺栓都拧紧，结果却是越紧越漏油，这是典型的不按规范预紧螺栓的结果。超大的预紧力会使得油底壳和发动机缸体下部产生局部变形，在热机时尤其严重。

图4-12  垫圈类型   

任务实施

进行螺栓连接

1.操作准备

●准备各种类别的螺纹紧固件。

●准备扳手、起子等工具和螺纹规、游标卡尺等量具。

●准备抹布、工作台和润滑油。

2.操作过程

①检查并清洁螺纹紧固件、各螺纹孔、各工具、量具及工作台。

②测量螺纹的螺距、螺纹大径（及公称直径）、杆长，用量规识别粗牙细牙螺纹。

③根据表格识别螺栓和螺母的强度等级。

④对螺栓、螺母等紧固件进行拧紧和拧松操作。

⑤检查、清洁、清理操作场地。

说一说

螺栓与螺母在安装前要做什么操作才能有效地配合在一起？

任务拓展

螺纹紧固件的连接与防松

1.产生螺纹紧固件松动的原因

螺纹紧固件的连接具有易装拆、可反复使用的特点，其缺点是在工作装态下，特别是在振动、冲击、变载荷以及温差过大的情况下，容易产生松动以及螺母脱落，使设备失效，甚至产生恶性故障。因此，找出螺纹紧固件连接松动的原因，采取有效防范措施，是设计选用螺纹紧固件的重要任务之一。

2.防松锁止的措施

●用机械固定件锁紧：利用机械固定件使螺纹紧固件与被连接件之间或螺纹件与螺纹件之间固定和锁紧，从而制止松动。这种方法的可靠性取决于机械固定件的强度，其防松可靠性高。但缺点是增加了连接件本身的重量，在制造和安装上比较麻烦，不能进行自动安装。

●增大摩擦力：增加螺纹间或螺栓（螺钉）及螺母支承面的摩擦力来达到防松的目的。这种方法的最大优点是不受使用空间的限制，可以进行多次的反复装拆，操作简单方便，可以机动装配。因此，这类方法应用最多。

●破坏螺纹运动副关系永久防松：采用焊牢、粘结、冲点或铆接等方法使螺纹副失去运动特性，即永久防松，将可拆卸螺纹的连接改变为不可拆卸螺纹连接，这是一种非常可靠的防松方法。但缺点是拆卸后螺纹紧固件不能再重复使用。因此，这类方法常用于某些防松要求高而又不需拆卸的场合。

●化学防松：对于通孔，在螺栓与螺母旋合处适量滴上螺纹锁固剂再拧入上紧即可。对于盲孔（如螺钉），先滴入适量螺纹锁固剂至内螺纹孔底，再在螺钉螺纹处滴入几滴锁固剂，拧入上紧即可。

●采用特殊锁紧垫圈：该垫圈是由两片带不同锯齿形的垫片组成，锁紧效果比较好，特别适合用于振动较大的场合。

友情提示

一般使用了锁固剂后，只能用扳手等强行拆卸，也可将组件加热到200～300℃手动拆卸，因为高温状态下锁固剂会变脆，从而容易拆分。

对于8 .8级以上的螺栓，如果其长度与公称直径之比大于5，可省略防松措施。

3.防转动措施

①加大预紧力。

②采用较长的旋合长度。

③使用闭锁元件等有效的锁止装置。

④结合面采用特殊面连接来避免移动。

任务检测

一、判断题

1.在螺纹标记M12中，数字12表示螺距为12 mm。 （   ）

2.配对使用的螺栓和螺母的强度等级必须一致。 （   ）

3.一旦使用螺纹锁固剂后组件就不能再拆分开。 （   ）

4.在实际生产中，垫圈紧锁片等要经常检查更换。 （   ）

5.常用的螺母有六角形螺母、盖螺母、开槽螺母。 （   ）

6.螺栓、螺母与垫圈配合使用的目的是使紧固性更好。 （   ）

7.加大预紧力是防止螺纹紧固件转动的措施之一。 （   ）

二、填空题

1.螺纹有细牙和__________之分。

2.M10×1.5–5e中5e表示__________。

3.螺纹紧固件之所以可以连接紧固，都是依靠__________ 连接。

三、简答题

简述螺纹紧固件防松锁止的措施（至少写3个）。

评价与反思

评价表

反思

1.如何选择合适的紧固件连接？

2.螺栓强度等级是越高越好吗？