一、引言

紧固件是汽车最不可或缺的零件，所有汽车都需使用紧固件进行连接装配，其中金属螺纹连接方式使用最多，且汽车关键的连接部位基本均采用此方式进行连接。金属螺纹连接紧固件设计的好坏将直接影响整车质量，设计不合理将出现干涉异响、生锈、松动等各种问题。直接导致客户感知抱怨，严重者甚至会影响客户生命安全。为了获得可靠的紧固连接，本文我们来讨论下如何对金属螺纹连接紧固件进行设计。

二、设计概述

金属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，如六角头螺栓、六角法兰面螺栓、内六角花形盘头螺钉等。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，进行最佳匹配，完成最优金属螺纹连接紧固件设计。一个完整的金属螺纹连接紧固件设计，需要根据以下几个方面进行设计：

一是螺纹连接轴向预紧力设计计算；二是螺栓规格及强度等级选择；三是配合螺母的等级及内螺纹啮合长度确定；四是螺栓长度确定；五是表面处理选择（包括颜色匹配）；六是头部和末端型式、装配空间确认；七是装配工艺试验验证。

三、金属螺纹连接紧固件设计

（一）螺纹连接轴向预紧力设计计算

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，传递载荷或密封等功能。在设计选择螺栓 / 螺母时，对于关键的连接部位，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，螺栓的应力值不超过疲劳极限，连接体装配后的变形。

高强度螺栓连接系统轴向预紧力计算，参照德国工程师协会出版的 VDI 2230。根据此标准，行业内有对应计算软件 MDESIGN，能更快速地计算出所需轴向预紧力。

（二）螺栓规格及强度等级选择

目前螺栓规格和等级的确定方法主要有以下两种：

正向设计和对标设计。

正向设计：根据设计计算，确定螺栓在规格和等级，底盘等关键的连接部位紧固件需进行正向设计；高强度螺栓连接系统计算，参照德国工程师协会出版的 VDI2230，具体步骤如表 1。

对标设计：参照自有成熟车型、对标车型确定。

通过其螺栓上标注的强度等级和测量的螺纹规格确定。

常用于非关键的连接部位。

另对于螺栓粗细牙的选择，需综合考虑粗细牙螺纹的优劣势。对于 M6 以上的螺纹，有粗牙和细牙之分，表 2 列出了各自的优劣势。

根据以上对比分析，不同的连接位置可按需选择粗细牙。建议一般位置选用粗牙，便于拆装和生产，高剪切力位置可采用细牙。另螺纹规格≤ M8 时，不建议使用细牙。

（三）配合螺母的等级及内螺纹啮合长度确定

螺纹连接件强度匹配设计原则是，在超拧时失效形式应是螺杆断裂，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、5.6、5.8、8.8、10.9、12.9 等。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。

对于螺母的选择，需要螺母的保证载荷大于螺栓，按表 3 来选择。（见表 3）

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。表 4 是各种内螺纹材料所推荐的最小啮合长度。（见表 4）

（四）螺栓长度确定

螺栓有效长度不能太短，当与螺母连接时，应保证在与螺母相配后螺栓、螺钉或螺柱末端超出螺母端面至少 2 个螺距的长度（倒角不算完整螺纹）；对于被连接件带有内螺纹的，螺栓的长度要保证足够的啮合长度。

螺栓总长也不能太长，当与螺母或通孔内螺纹连接时，以保证不与其他零件产生干涉；当拧入盲孔中时，应确保长度不得与盲孔产生干涉。

（五）表面处理选择（包括颜色匹配）

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。紧固件常用的表面处理类别有电镀锌、电镀锌镍、锌铝涂覆。

电镀锌常用颜色有彩虹色、漂白和黑色。彩虹色和黑色防腐性能优于漂白，漂白色只用于随整车进行电泳的焊接螺栓 / 螺母，只为了确保运输和存储过程中焊接螺栓 / 螺母不生锈。彩虹色的镀层附着力要优于黑色，黑色常用于有颜色要求的外观位置，或为了整车通用化，减少整车紧固件种类而统一紧固件位置。彩虹色性能最优，如无特殊要求推荐使用彩虹色镀锌。

电镀锌镍常用颜色有银色（本色）和黑色。两种防腐、附着力等性能基本一致，黑色价格略贵，常用于有颜色要求的外观位置，如无特殊要求，推荐使用银色。

锌铝涂覆常用颜色有银色和黑色。两种防腐、附着力等性能基本一致，但黑色涂层比银色厚，常出现通规通不过问题，且价格贵，所以不推荐使用黑色。

三种表面处理防腐性能，电镀锌镍和锌铝涂覆优于电镀锌。电镀新常用于车内和车门、背门 / 尾门关闭时，不受高温、风雨、石击等直接侵害的低腐蚀位置。电镀锌镍和锌铝涂覆常用于高温、高湿、石击击伤零部件，或湿热交变频繁、动载荷工况较大的高腐蚀位置。由于电镀锌镍价格高于锌铝涂覆，所以一般高腐蚀位置推荐使用锌铝涂覆，但与铝材料连接位置，或需要导电位置，或M6以下的螺栓/螺母及内槽螺钉，推荐使用电镀锌镍。

（六）头部和末端形式、装配空间确认

螺栓 / 螺母通常头部选用六角法兰面或内六花。通常位置推荐使用六角法兰面头部，便于安装，且标准化的头部尺寸设计也利于工具的统一，但此头部需要有足够的装配空间。对于装配空间不足，或有外观要求，且安装扭矩较低的位置，推荐使用内六花头部。螺栓螺钉末端形式设计应参照 GB/T 2 紧固件外螺纹零件的末端，此标准规定了外螺纹零件如螺栓和螺钉推荐使用的末端形式与尺寸。在使用锥端、截锥端、导向端、圆柱端、刮削端等末端形式时参照此标准，按照标准推荐的尺寸设计。

（七）装配工艺试验验证

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。

对于关键的连接部位，装配力矩必须通过设计计算（VDI2230）及装配工艺模拟试验，确认装配工艺满足设计轴向力要求。对于一般的螺栓螺母连接，初始释放动态扭矩值时可以采用企业经验推荐扭矩或对标扭矩，经台架试验或路试，验证无问题时，可作为正式动态扭矩释放。

综上所述，新金属螺纹连接紧固件设计只需遵循以上七个步骤，就可以完成一个可靠的金属螺纹连接设计。

参考文献 :

[1] 孙其俊 . 汽车制动管路螺纹紧固件的扭矩试验[J]. 汽车工程师 ,2009(8):31-32.

[2] 徐海东 . 汽车螺纹紧固件连接质量及拧紧工艺的分析应用 [D]. 安徽 : 合肥工业大学 ,2020.

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