汽車用螺母的知識梳理和解讀

螺母也叫螺帽,與螺栓或螺桿擰在一起用來起緊固作用。
螺母,有很多種類,也有不同材質(zhì)的螺母。每類螺母都有不同的規(guī)格,每種規(guī)格的螺紋具有各自的機械性能和作用。在繁雜的條件下選用適合的螺母需要遵循一定的規(guī)則,滿足設(shè)計需求。

今天,以緊固件機械性能標準GB/T3098.2、GB/T3098.4和GB/T3098.4為基礎(chǔ),來梳理汽車用螺母的種類和相關(guān)選用規(guī)則。

01 汽車螺母的分類標準和種類

螺母形狀,都為六角柱形:

a.牙距不同: 粗牙普通螺紋和細牙普通螺紋;

b.高度不同:薄螺母、1型螺母、2型螺母和厚螺母;

c.有法蘭面:六角法蘭面螺母、六角法蘭面自排屑螺母、六角法蘭面承面帶齒螺母;

d.鎖緊形式不同:

1 型全金屬鎖緊螺母、1 型非金屬嵌件鎖緊螺母;

2 型全金屬鎖緊螺母、2 型非金屬嵌件鎖緊螺母;

全金屬法蘭面鎖緊螺母、 非金屬嵌件法蘭面鎖緊螺母。

02 如何正確表示一個螺母

xx 是制造者的識別標志。

性能等級代號“10”,代表該螺母能承受的最小保證應(yīng)力 Sp 的1/100,即保證應(yīng)力 Sp=1000MPa。

這個數(shù)字“10”是10.9級螺栓的性能等級標記的第一部分數(shù)字,在螺栓標記中,第一個數(shù)字是螺栓公稱抗拉強度σb。

這個螺栓應(yīng)為與該螺母相匹配螺栓中性能等級最高的。也就是性能等級高的螺母,可以替代性能等級較低的螺母。

螺栓-螺母組合件的應(yīng)力高于螺栓的屈服強度或保證應(yīng)力是可行的。

03螺母螺栓配合的基本原則

a.足夠的螺母內(nèi)螺紋強度,使螺栓擰緊失效的形式為斷裂而不是滑牙。

b.螺母和螺栓的強度搭配要合理,符合標準推薦。

c.良好的螺紋配合精度,保證在電泳或涂覆之后螺紋精度合格。

d.不要輕易改變ISO和GB中推薦的螺距、螺母內(nèi)倒角的大小、螺母高度、對邊寬度等尺寸。

e.連接副摩擦系數(shù)要受控在設(shè)計范圍內(nèi),比如m=0.10~0.16,否則所有的計算和校核就會失去基礎(chǔ)。
由于超擰,螺栓螺母組合的失效形式有螺桿斷裂和螺紋脫扣。螺桿的斷裂是突發(fā)生的,比較容易發(fā)現(xiàn);而脫扣是逐漸發(fā)生的,就很難發(fā)現(xiàn)并增加了緊固件失效而造成事故的危險性。

所以,對螺紋連接的設(shè)計,總希望失效形式是螺桿斷裂。但因為螺母和螺栓的材料強度、螺紋間隙和對寬度等影響脫扣強度發(fā)生,故不能在所有的情況下都能保證獲得這種失效形式。

根據(jù)螺母的粗細牙和鎖緊形式,分別按照GB/T3098.2、GB/T3098.4和GB/T3098.4的表二中的規(guī)定,為螺栓選配適當性能的螺母,當擰緊到螺栓保證載荷時,螺栓組合件不會發(fā)生螺紋脫扣。這一點是螺母的標記制度保證的。

然而,超過螺栓保證載荷的擰緊會因為轉(zhuǎn)角法的屈服擰緊法的使用時而發(fā)生,所以對螺母的設(shè)計應(yīng)至少保證超擰10%(保證載荷大約是屈服載荷的90%)時,螺紋組合的失效是螺栓斷裂,以警告使用者,裝配操作不當。

螺母螺栓配合必須遵循基本原則

04

1 型六角螺母和 2 型六角螺母的聯(lián)系和區(qū)別

不同的螺母高度是為了提高螺栓螺母組合件的螺紋脫扣強度。

螺母有兩種型式,2型約比1型高10%。

1 型高度主要適用于三個情況:

a. 性能等級4,規(guī)格M316的螺母;

b.性能等級5、6、8、10,規(guī)格M￡39的螺母;

c.性能等級12,規(guī)格M￡16的螺母。

2 型高度主要也適用于三個情況:

a.性能等級8,規(guī)格16￡ M￡39的螺母;

b.性能等級9,規(guī)格M￡16的螺母;

c.性能等級12,規(guī)格16￡ M￡39的螺母。

2 型螺母主要為9.8 級螺栓和螺釘提供了一個經(jīng)濟的冷成型螺母,也為12.9級螺栓和螺釘提供了良好韌性的熱處理螺母。

1 型和 2 型螺母的重疊僅有兩種情況。

對于 1 型:小于、等于M16的8級,允許不淬火和回火(冷成型、低碳);

大于M16的8級螺母必須淬火并回火。此時,就可能使用不淬火和回火的,較厚的2型螺母代替1型螺母,這是綜合分析的經(jīng)濟問題。對于12級:規(guī)格大于M16 的使用 1 型螺母不合適。由于要求保證載荷而需要提高螺母的硬度,結(jié)果削弱了韌性。從實用觀點出發(fā),是需要韌性的。因此,在這種情況下,需要使用較厚的、淬火并回火的2型螺母。如果必要與可能,限制使用規(guī)格大于M16 的螺母,則對12級螺母不發(fā)生 1 型和 2 型重疊。

在實際汽車開發(fā)中,為了控制緊固件庫規(guī)模,通常只使用8級和10級螺母,同時規(guī)定規(guī)格大于等于M12的螺母只使用10級。可以看出,一般使用的都是 1 型螺母。

1 型全金屬六角鎖緊螺母Q334

05 全金屬鎖緊螺母和非金屬嵌件鎖緊螺母

a. 全金屬鎖緊螺母一端制成非圓形收口或開槽后徑向收口(后者又稱為槽梁型鎖緊螺母), 使螺紋局部變形.當螺母擰緊后,螺母的收口部位向外張開,利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊,利用螺紋局部變形增加摩擦力,消除螺栓間隙,使螺栓與螺母牢固地縮緊在一起。

全金屬鎖緊螺母的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,制造工藝簡單,耐溫性好,體積和質(zhì)量可控。缺點是不適用于需要經(jīng)常拆卸的連接部位,容易把螺栓的涂層刮掉,造成腐蝕發(fā)生。

b. 非金屬嵌件鎖緊螺母是在螺紋孔內(nèi)嵌裝尼龍塊或一個其內(nèi)徑比螺紋中徑稍小的尼龍圈。擰入螺栓時,尼龍圈內(nèi)被擠壓出內(nèi)螺紋,彈性極佳的尼龍材料與螺栓形成了很大又穩(wěn)定的摩擦力,從而阻止了緊固件的松轉(zhuǎn),達到了可靠的鎖緊‘還可以起到防止液體泄露的作用。

非金屬嵌件鎖緊螺母的優(yōu)點是耐沖擊性、抗振性、重復使用型較全金屬型好,但耐溫性較差,避免在高溫區(qū)域使用。

06 承面帶齒螺母

承面帶齒螺母在螺母的支承面制成鋸齒形。當螺母被擰緊時,支承面與被連接之間產(chǎn)生摩擦力,鋸齒嵌入被連接件表面時,鎖緊非常牢固。穩(wěn)定的扭矩-拉力關(guān)系和足夠高的夾緊力是帶齒螺母保持縮緊能力的前提。

一般來說,被連接件的硬度應(yīng)低于緊固件的硬度,保證齒的嵌入。鋸齒容易損傷被連接表面。

所以,帶齒螺母不能用于無法承受高夾緊力的螺紋連接,也不能用于被連接件表面對劃傷和腐蝕敏感的場合。