汽车金属紧固件设计选用指导

今天为大家介绍：汽车金属紧固件的结构和功能、法规要求、选用原则和设计规范，

为老铁们提供一个指导原则，希望大家在后续的工作中能起到一定的参考作用。

01

紧固件介绍

1. 系统定义

用于连接、固定各功能件的零件称为紧固件，因其标准化、系列化、通用化程度极高，有对应的国家标准或行业标准作为支撑，因此也有人将其称为标准紧固件或标准件。

2. 结构种类

紧固件品种繁多，对应各类不同的标准，包括产品标准，公差标准、性能标准、表面处理、标记方法以及验收检查、包装等等，分别体现在多个国家或行业标准中。

汽车常用紧固件，包括螺栓/螺钉、螺母、自攻螺钉、垫圈、塑料螺母及卡扣等，据统计，一辆轻型车平均用紧固件约500种规格，4000件左右，其中，高强度紧固件占1/3左右，一辆汽车紧固件的费用约占整车成本的2.5%-3.0%。

3. 功能介绍

螺栓/螺钉/双头螺柱与螺母/螺纹孔配合的型式，主要用于承受较大载荷的高强度连接副，具有结构简单，稳定的特点。

自攻螺钉与预制孔配合型式一般用于将重量较轻的物体，如内饰，小型电器类零件固定在金属薄板上。

卡扣管夹类塑料紧固件一般用于将线束等小直径管路固定嵌入钣金类。

卡箍环箍多用于低压液压系统或气压系统，冷却管路等。

4. 新技术发展趋势

随着新能源车型的崛起，全铝制车身的应用逐渐广泛，传统的焊接螺栓，螺母不再适用该种材料。

热熔自攻铆接（FDS）、铝点焊（RSW）、自冲铆接（SPR）、抽芯拉铆等新工艺新紧固件的重要性不断提升，此类产品的技术也不断成熟。

同时，紧固件的防腐蚀性能，也从广泛使用的240h、480h无红锈进一步提高到720h，1000h无红锈的水平。

汽车用紧固件，在服役过程中承受各种高温高压、低温、振动、腐蚀、重载、交变应力，因此，对材料的综合性能要求很高，而国内钢材在有害元素及夹杂物控制、冷顶锻性能等方面与发达国家还存在较大差距。

因此，在冷镦钢材料的发展上将着力非调质冷镦钢用线材研发、10.9级螺栓用低碳硼钢扩展、高强度螺栓钢等基础研发，进一步提升我国紧固件线材的整体质量水平。

02

法规要求

紧固件产品需强制符合”汽车零件和材料禁限用物质要求” 的要求，下表列出了紧固件零件在中国及欧盟等国家的主要法规要求。

03

性能要求

紧固接头，需要满足的主要性能要求如下：

1. 可靠性：紧固接头的路试耐久，防腐性能满足标准要求；

2. 安全性：紧固接头能满足安全方面的法规要求

04

制造策略

1. 除非冷镦工艺无法实现，否则，不得采取机加工工艺，螺纹部位仅能使用轧制或辊制工艺，不得使用机加工工艺；

2. 10.9级及以上产品，需要进行防氢脆处理；

05

设计原则

1. 紧固接头结构设计

a. 米制螺纹 除特殊情况，如安全带相关紧固件因行业惯例使用统一英制螺纹外，体系中紧固件不得使用非米制螺纹。各公差等级的螺纹尺寸须满足GB/T15756 普通螺纹极限尺寸的要求。

b. 孔的合理设计 各类型紧固用通孔和沉孔尺寸可参考GB/T152 和GB/T5277的要求。开孔过大会引起预紧力衰减和螺栓断裂问题发生。

c. 头部型式的选用 紧固件头部形状较多，以适应不同的装配空间、拧紧程度、连接外观等要求，其头部主要作用为承载和扳拧。

2. 螺纹配合设计

对不同的材质，为保证能承受足够的连接应力，需使用不同的啮合长度。下图规定了上述情况匹配使用时的最小啮合长度要求，可做评估使用。

在不干涉其它零件情况下，螺栓和螺柱与螺母相配后末端应超出螺母顶面1-2个完整牙为宜，当螺栓拧入盲孔时，应确保螺栓的长度不得与盲孔产生干涉并确保至少一倍直径的螺纹在受力区域。

3. 等级匹配性

一般情况下，螺母与螺栓、螺柱或螺钉机械性能等级的匹配如下：

8级螺母可以与8.8级的螺栓、螺柱或螺钉相配；

10级螺母可以与10.9级的螺栓、螺柱或螺钉相配；

12级螺母可以与12.9级的螺栓、螺柱或螺钉相配

一般说来，性能等级较高的螺母可以代替性能等级较低的螺母，如10级螺母可以代替8级螺母与8.8级螺栓、螺柱或螺钉相配。

考虑到较高的脆断风险，避免选用12.9级螺栓

材料防压溃设计

设计紧固接头时，还必须确保被夹紧材料所能承受的极限单位面积压力需要超过螺栓预紧力产生的抗压强度，以避免可能发生的材料压溃问题，引起较大的预紧力衰减。

4. 锁紧结构的选择

常见锁紧方式主要为螺栓-锁紧垫圈组合件、锁紧螺母（全金属锁紧螺母和非金属嵌件锁紧螺母）、锁固胶三种型式。

选用时应注意：

不建议机械性能等级为8.8级及以上的螺钉采用螺钉-锁紧垫圈组合件；

全金属锁紧螺母的优点是耐温性好，但在拧紧过程中因结构原因会导致外螺纹涂层的破坏，容易引起锈蚀，且锁紧结构随着拧入拧出次数的增加而降低，不适用于需要经常拆卸的连接部位；

非金属嵌件锁紧螺母的优点是耐冲击性、抗振性、重复使用性较全金属型好，但耐温性较差，应避免在高温区域使用；

常用锁固胶为微胶囊预涂式锁固胶和尼龙锁固胶，前者较后者使用温度高，但缺点是不能重复使用，每次拆卸后需更换新的紧固件并清理螺纹孔。

5. 螺母的设计

螺母在设计时应确保其有足够的厚度来获得保证载荷，啮合螺纹需满足螺纹配合设计要求，8级和10级螺母，有效螺纹长度推荐≥1d；

结构上优先选择六角法兰面螺母；

关键紧固接头，应优先考虑具有锁紧结构的螺母。

06

摩擦系数设计要求

摩擦系数是螺栓连接设计的前提和边界，每个紧固件体系内都应该有紧固件摩擦系数范围要求要求，

不同主机厂有不同规定，主流的有0.09-0.15,0.10-0.16, 0.12-0.18三种。

07

拧紧工艺设计

常用的装配方法，为扭矩控制法和扭矩-角度控制法。

扭矩控制法是根据扭矩大小和轴向力之间存在一定关系所制定的一种方法，该方法在拧紧时，只对紧固扭矩M进行控制。

因具有拧紧工具简单，可操作性强等优点，是目前行业内最广泛使用的拧紧方法。但因扭矩受摩擦系数影响较大，拧紧后获得的预紧力有较大散差，通常可达到±30%。

扭矩-角度控制法（也称转角法）是将螺栓与螺母的相对回转角度作为指标进行初始预紧力控制的方法，可在弹性区和塑性区使用。

相对扭矩法，转角法因通过转角直接控制螺栓伸长量，拧紧后能获得较小的预紧力散差，通常在±15%左右。

如果能够满足设计要求，拧紧工艺应优先选择扭矩控制法。尽管转角法控制精度比较高，螺栓利用率高，但是对于小产量的车型，转角法设备费用太高。

08

实验和认证

1. 整车级试验紧固件及紧固接头主要需满足整车耐久和整车耐腐蚀试验。

2. 系统级试验  高强度紧固接头需要开展预紧力台架测试及拧紧工艺验证，在紧固接头开发实验室负责实施。

3. 每个公司的金属紧固件都有《金属紧固件检测项目》标准，新开的零件需要试验和认证。