螺栓与螺母作为最常见的紧固件，目前针对不同的机械性能、规格尺寸、螺栓孔的设计尺寸和拧紧方式等标准作为依据，为设计及生产带来了方便。

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。

01 螺栓螺母的相关设计

1.1 螺纹的选用

对于公制螺纹，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。

根据受载及其特点下面列出了粗牙与细牙的优点，作为螺纹的选取。

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。

1.2 孔径的设计

1.2.1 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。下表汇总了螺栓通孔的设计中易产生的问题及解决方法。

1.2.2 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。

1.2.3 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

02 栓螺母的预紧

在设计中保证最终失效为螺栓断裂，对于弹性范围安装，一般以极限拉力的62%作为安装扭矩。

安装扭矩可参考VDI2230，计算v=0.9最大轴力值，例如摩擦系数为0.12-0.18，计算以摩擦系数取0.12。

然后根据公式,计算最大安装扭矩：

考虑工具安装误差以最大15%：

对于屈服区范围安装，如采用扭矩+转角方法。

03 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图1和不带导向端螺柱图2的种紧扭矩相关标准规范（如下图3，4）。

图1 带导向端螺柱

图2 不带导向端螺柱

图3 带导向端螺柱的种紧扭矩

图4 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。

04 螺栓螺母材料设计要求

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：σ=F d1-2/(π/4)；栓螺纹的剪切应力：τ=F/(k1k2πd1L)；螺母螺纹的剪切应力：τ1＝ F/(k1k2πDL)。

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：F1=πd12[σ]/4 ＝0.25πd12；螺栓螺纹脱扣失效时，可以承受最大拉伸力：F2=k1k2πd1L[τ] ＝0.75k1k2πd1L[σ]；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：F3=k1k2πd1L[τ1] ＝0.75k1k2πDL[σ1]；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。

根据以上公式整理得：[σ]<2.4k1k2D2d1-2[σ1]。

由于D2d1-2>1，取 k1 ＝0.87， k2 ＝0.7，则螺栓的强度至少可以满足：[σ]<1.46[σ1]。

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。

05 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。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。

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