螺栓和螺母是最常见的紧固件。目前，会依据不同的机械性能标准、不同的规格尺寸标准、不同的螺栓孔设计尺寸标准以及不同的拧紧方式标准，这为设计及生产带来了方便。
这些标准体系较为繁琐，标准也比较分散，正因如此，给设计及安装等工作带来了相对的不便。
本文主要总结螺栓螺母的相关设计及安装问题，让螺栓螺母的设计和安装等变得更加规范，从而最终保障产品的品质。
01 螺栓螺母的相关设计
1.1 螺纹的选用
公制螺纹依据的是 GB/T 192-2003《普通螺纹基本牙型》国家标准。对于公制螺纹而言钢结构用高强度垫圈，这种联接螺纹因螺距不同而有所区分，分为粗牙螺纹和细牙螺纹。
根据受载及其特点，下面分别列出了粗牙的优点和细牙的优点，以便作为螺纹的选取。
通常在设计时会选用粗牙螺纹；而对于薄壁零件、需要承受振动冲击以及动载荷的情况，还有精密且需要微调机构的场合，一般会选择细牙螺纹；
高温部位以及采用液压拉伸器进行安装的螺栓和螺纹在设计时，为便于拆卸。通常会将螺栓的螺纹大径、中径和小径尺寸设计得比相应规格的 6g 公差尺寸直径稍小。而螺母的螺纹依然采用 6H 公差。当螺栓螺母相配时，间隙会相应增大，也就更容易进行拆卸。
1.2 孔径的设计
1.2.1 螺栓通孔的设计
螺栓通孔的设计重点在于孔径尺寸的设计。因为装配精度有所不同，所以要选用不同直径的螺栓孔尺寸。通常是依据 GB/T 5277 - 1985 《紧固件螺栓和螺钉通孔》中的中等装配精度来设计螺栓孔直径。
安装的孔径尺寸比相应标准螺栓六角头下圆角处尺寸小，这会在安装时导致干涉，因此螺栓通孔的两端需要倒角。
在机械等设备的装配时，很多会采用螺栓头部加平垫圈或弹簧垫圈这种方式。然而，依据 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》可以得知，六角头螺栓的头部圆弧处直径比平垫圈或弹簧垫圈的内径要大，所以会出现干涉现象。
设计和安装时应避免使用上述组合结构，GB/T 1230 - 2006 《钢结构用高强度垫圈》对此有明确体现，该标准中垫圈采用了内径倒角结构。下表汇总了螺栓通孔设计中易出现的问题以及解决办法。
1.2.2 螺栓螺纹孔的设计
螺栓螺纹孔设计时，主要涉及螺纹孔的攻深和钻深尺寸。不同基体材料下，相同螺纹的攻深和钻深尺寸存在差异。设计时，螺纹孔的攻深通常按照下式进行计算。
式中：H1 表示螺纹孔的攻深，其单位为毫米；H 表示螺栓拧入螺纹孔的长度，单位是毫米；P 表示螺纹孔的螺纹螺距，单位为毫米。
螺纹孔的钻深按照下式计算：
式中：螺纹孔的钻深为 H2，单位是 mm；螺纹孔的螺纹公称直径为 D，单位是 mm。
为保证螺栓在预紧以及承受工作载荷时不会出现螺纹脱扣的情况，不同基体材料的螺栓其拧入长度存在差异。
具体的螺栓孔设计尺寸，能够参照 JB/GQ 0126 - 1980《粗牙螺柱、螺钉的拧入深度、攻丝深度和钻孔深度》。同时，也可以参照 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》。
这两个标准包含了具体规格的螺纹孔攻深、钻深以及余留长度等尺寸。通常在设计时，螺栓螺纹伸出螺母的长度，一般是以 2 到 3 牙为标准，也就是 2 到 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
在设计过程中要确保最终出现的失效情况是螺栓断裂。对于处于弹性范围的安装而言，通常会把极限拉力的 62%当作安装扭矩。
安装扭矩可依据 VDI2230 来参考。需计算 v = 0.9 时的最大轴力值。例如，当摩擦系数处于 0.12 - 0.18 这个范围时，计算时可将摩擦系数取为 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钢结构用高强度垫圈，如采用扭矩+转角方法。
03 螺柱的种紧扭矩
螺柱被种入机体里。为确保螺母在拆卸时不会松动，同时保证螺柱与机体的垂直度等要求，在螺柱种入机体的过程中，必须施加一定的种紧扭矩。
经查国内无相关标准规范，本公司引进国外专利技术。依据引进的技术要求，制订了带导向端螺柱的图 1 以及不带导向端螺柱的图 2 等紧扭矩相关标准规范。（如下图 3、4 所示）
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
若螺柱的长度与直径之比大于 5，那么依据表格查出的拧紧扭矩数值能够降低至 25%。在将螺柱种入机体的过程中，还可以在螺柱的种入端涂抹螺纹胶水，这种做法特别适用于不经常进行拆卸的场合。
04 螺栓螺母材料设计要求
螺栓螺母组合中，通常螺栓材料的强度比相配合螺母材料的强度要高。在实际使用时，当处于超载状态下，人们总是期望螺栓先发生断裂，而不是螺栓或螺母脱扣。因为螺栓的断裂会突然出现。
螺纹的脱扣是逐渐发生的，所以很难被发现。这会增加因螺栓或螺母失效而导致事故的危险性。因此，在设计时，螺母材料的强度标准是一个极为关键的问题。
当螺栓承受的拉伸力为 F 时，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就是螺纹的小径 d1 ，那么依据相关的理论可以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，它们分别为：
在这个式子中：其中一个系数 k1 指的是螺栓螺母的螺纹完整系数；另一个系数 k2 指的是螺母上螺纹受力的均匀系数。
通过上式计算出：
根据以上公式整理得：[σ]
因为 D2d1 - 2 大于 1，所以取 k1 为 0.87，k2 为 0.7 时，螺栓的强度能够至少满足[σ]。
螺栓的材料强度比螺母的材料强度至少能高 1.46 倍，这样就不会出现螺母螺纹脱扣的现象。在实际螺栓螺母材料选用时，这一点得到了极为充分的证明，例如 8 级的螺母选用 35 号钢就能满足强度要求。
05 总 结
