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1 前言

螺栓是制造业和国防工业中不可缺少的紧固件是航空、汽车、船舶、铁路、桥梁、建筑等重要基础设施的关键部件。

为了将许多硬件设备精确地装配在一起，螺栓需要精确地拧紧。错误的拧紧，可能会导致成本浪费，甚至螺栓塑性变形或者断裂等灾难性的后果。螺栓连接的原理以及控制拧紧过程的常用方法，都是看似简单的，但正确拧紧螺纹紧固件是一个复杂的过程，需要了解螺栓连接的特点和各种拧紧方法。

图1 螺栓紧固失效工程案例

本文探讨了螺栓紧固过程中的力学性能及不同的拧紧控制方法，同时力矩控制方法为例对螺栓拧紧进行了预紧力理论计算、强度理论计算，对螺栓正确拧紧有一定参考意义。

2 螺栓紧固件的力学性能

钢是工程中广泛应用于制作螺栓的金属材料，跟很多其他的金属材料一样，钢是弹性的。对高吞吐量、高精度装配、高质量产品生产中了解螺栓连接的原理及力学性能极其重要。

2.1 螺栓连接的原理

没有工作载荷，螺栓只是一个夹紧装置。在实用上，在螺栓连接装配中，部件被夹在螺栓和螺母之间（螺栓联接为例），并绝大多数在装配时都必须拧紧，即螺栓插入被连接件，利用螺母或内螺纹拧紧使螺栓拉伸变形，这种弹性变形产生轴向的拉力，将被夹零件挤压在了一起，螺栓拧紧时的这种力称为预紧力。在无外荷载的装配状态下，螺栓预紧力与夹紧部件的夹紧力相等但相反，此时的螺栓预紧力称为轴向拉力。

螺栓拧紧的目标就是施加适当的轴向拉力。理论上，只要产生了足够的夹紧力，完全可以保证被夹零件在震动、高低温等恶劣环境下安全工作，而不必使用涂胶等辅助方法。

2.2 螺栓连接的特性

螺栓连接的质量很大程度上取决于对螺栓预紧力的控制。过高的预紧力会导致螺栓产生严重的塑性变形，从而导致疲劳或断裂，不充足的预紧力会引起结构连接的振动、松弛和滑移，从而破坏结构的完整性，影响任何利用螺栓连接装配设备的正常运行。

图2 螺栓拧紧原理及连接件中的力

分析螺栓连接应力-应变图可以知道，σ的作用下，螺栓材料沿其作用方位发生正应变ε。在初始阶段，正应力与正应变成正比（图中之OA），即遵循胡克定律σ=Eε，线性阶段最高点A所对应的正应力σ称为比例极限。超过比例直线后，应力与应变不再保持正比关系。当应力增加至某一定值时，螺栓材料失去抵抗继续变形的能力，并应力几乎不变，而变形却急剧增长称为屈服。使螺栓材料发生屈服的正应力σ称为屈服应力或屈服极限。经过屈服阶段后，随着应力的增大螺栓材料重新呈现抵抗继续变形的能力称为应变硬化。硬化阶段的最高点D所对应的正应力σ称为强度极限。当应力增长之强度极限σ之后螺栓的某一局部显著收缩，产生所谓缩颈。缩颈出现后，使螺栓继续变形所需之拉力减少，最后导致螺栓在缩颈处断裂。所以精确地拧紧螺栓需要利用好螺栓紧固件的力学性能。

T：拧紧力矩[N·m]、F：轴向力[N]、σ：正应力[MPa]、ε：正应变、E：弹性模量[GPa]、σ：比例极限[MPa]、σ：屈服极限[MPa]、σ：强度极限[MPa]。

3 螺栓拧紧方法

工程实践中对高吞吐量、高精度装配、高质量产品等性能要求，使得螺栓紧固过程中的预紧力控制问题日益突出。目前有几种常用的螺栓拧紧方法，它们的拧紧原理及拧紧质量，精度都不一样，以下是目前最常用的拧紧方法及它们的优缺点：

3.1 力矩控制方法

螺栓预紧力的大小是通过拧紧力矩来加以控制，比如汽车装配现场常用定力矩扳手来控制拧紧力矩，当拧紧力矩超过规定值时，定力矩扳手内部机构之间发生打滑。这是一种目前最常用、最广泛使用的的拧紧控制和操作方式，拧紧方法原理非常的简单及快速，易于标准化。

图3 螺栓连接应力-应变图

但是理论研究的日益深化发展及很多试验研究结果指出，这种方法存在着一些固有的缺陷。拧紧力矩受摩擦系数、环境、拧紧速度、工具精度、拆卸再拧紧、接触面特性元素等波动的影响较大，导致应力公差过大，准确性较差。

3.2 转角控制方法

螺栓拧紧由通过旋转角度进行管理，旋转角度从螺栓头的固定点开始。这种方法从紧贴力矩的特定角度进行拧紧，在塑性区内拧紧，轴向拉力分散较低，操作简单。但由于拧紧会超出屈服点，因此接头会受到附加载荷的限制或难以重新拧紧，很难定义拧紧角度。

3.3 力矩梯度法

通过在屈服点处力矩梯度随旋转角的变化来管理拧紧，这种变化通过电子装置进行监测和运算。由于轴向拉力的分散性较小，因此有可能设计出较大的螺栓效率。即使在拧紧之后，也可以检查螺栓本身，但因在屈服点以上进行拧紧，且拧紧装置昂贵，因此在使用领域很难采用相同的方法。

3.4 伸长率测量方法

紧固由螺栓紧固产生的螺栓伸长率来控制。伸长率可以通过千分尺、超声波或螺栓内嵌的测量传感器来测量。轴向拉力的分散性很小，可以在弹性区域内拧紧，螺栓联接效率高。可以进行附加加载和重新拧紧螺栓，但是螺栓端面必须精加工，拧紧装置昂贵，成本高。

3.5 加载方法

通过在螺栓上施加拉伸载荷的同时拧紧螺母，通过释放载荷后产生的拉力来控制拧紧。轴向拉伸可直接控制，螺栓不产生扭转应力，但是拧紧装置和螺栓是特制的，成本很高。

3.6 加热方法

拧紧由螺栓加热前后伸长率的变化来控制。拧紧不需要空间和力，但是热和轴向张力之间没有明确的关系，温度设定控制比较困难。

4 力矩控制方法计算案例

力矩控制方法为例，进行螺栓拧紧相关理论计算。

图4 螺栓副拧紧力矩

4.1 预紧力的计算

装配时由于拧紧力矩T（T=FL）的作用，使螺栓和被联接件之间产生预紧力F，拧紧力矩T等于螺栓副间的摩擦力矩T和螺母环形端面与被联接件支承面间的摩擦力矩T之和。

螺栓副间的摩擦力矩为：

螺母与支承面间的摩擦力矩为：

从（1）、（2）、（3），得：

表1 力矩系数和摩擦系数

对于一定公称直径d的螺栓，当拧紧力矩同样的情况下，按照公式（6）可得螺栓的预紧力：

从案例中可以得知，对于一定公称直径d，拧紧力矩已确定的螺栓在不同的摩擦条件下，螺栓预紧力浮动在在10416[N]～20833[N]。力矩控制方法受各元素波动的影响较大，导致公差过大，准确性较差。

4.2 强度计算

螺栓的强度计算，根据联接的类型、装配情况、载荷状态等，确定螺栓的受力。然后按照相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径或校核其强度。

在拧紧时螺栓除受预紧力F的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T的扭转而产生扭转切应力τ，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。

先计算公称直径：d=12（mm）=0.012（m）螺栓的最大拉伸应力、最大扭转切应力，最后得出等效应力：

螺栓危险截面的拉伸应力：

图5 拧紧时螺栓应力状态

由此可见对于M10～M64粗牙普通螺纹的钢制螺栓联接，在拧紧时螺栓除受预紧力F的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T的扭转而产生扭转切应力，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。螺栓拧紧过程中螺栓副间的摩擦力矩T和螺栓反复松紧产生扭转应力τ，可能会导致等效应力的增加并超过材料屈服极限。

5 结论

（1）探讨了螺栓紧固过程中的力学性能及最常用的拧紧方法及它们的优缺点，对螺栓正确拧紧有一定参考意义。

（2）力矩控制方法为例对螺栓拧紧进行了相关的理论计算。从预紧力的计算案例中可以得知，对于一定公称直径d，拧紧力矩已确定的螺栓在不同的摩擦条件下，螺栓预紧力出现浮动，导致公差过大，准确性较差。

（3）从强度计算案例中可以得知，在拧紧时螺栓除受预紧力F的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T的扭转而产生扭转切应力τ，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下，螺栓反复松紧可能会导致等效应力的增加并超过材料屈服极限。