螺栓连接的选用

螺栓连接的选用

紧固件由于体积小、种类多，又是为主机配套的小零件，常常被人忽视。有人说“不就是螺丝螺帽吗？拿过来拧上就行了，哪有那么多说道。”其实不然，紧固件虽小却很重要，缺了它，小到眼镜，大到飞机，只能是一堆零部件而已，如若选用不当，还会出现机械故障和人身事故。因此，对紧固件的选用成了使用者和设计者关注的问题，尤其是飞机、火箭、汽车、火车等运载工具和大型工程更是如此。

现在看来，选用紧固件不单是使用者和设计者的事，而其选用的标准、要求，就是对制造者的标准要求，只有制造者生产的紧固件符合选用者的要求，你的产品才能被选用。因此，此栏目对供需双方都是有用的，从本期起连续刊登“紧固件选用指南”欢迎紧固件的制造者、使用者、设计者拨冗一读，从中受益。

螺栓是应用广泛的可拆连接紧固件，一般与螺母配套使用。由于螺栓连接具有易装拆可重复使用的特点，因此应用非常广泛。但其缺点是在振动、冲击、载荷变动和温差过大的情况下，螺栓连接往往会产生松动而导致机械故障。因此在选用螺栓连接时，除考虑螺栓的材料、性能以及特点、用途外，还应考虑如何防松问题，这也是螺栓选用的重要方面。而对于重要的螺栓连接，还应规定需要的预紧力或拧紧力矩的大小，因为这关系到螺栓连接的可靠性。

一、螺栓连接的预紧

1、预紧的目的

预紧能保证螺栓连接的可靠性，提高防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接件的寿命都是有益的，特别是对有密封要求的连接更为必要。但过高的预紧力，如果控制不当或过载常会导致连接失效。

2、预紧力Qp的确定

普通结构形式的螺栓螺母连接，由于拧紧螺母时螺栓螺纹部分受到有两种应力，由预紧力引起的拉应力和由螺纹力矩引起的扭转剪应力。所以拧紧螺母使螺栓断裂的预紧力一般为使螺栓单纯拉伸断裂的拉力的80%以下。

为了充分发挥螺栓连接的潜力和保证连接的可靠性，螺栓的预紧力σp应在小于0.8σs 的条件下取较高值，此外σs为螺栓材料的屈服极限。

在实践中，或按经验数据，或按所取预紧应力σp应取值，或根据连接工作时应具有的残余预紧力或摩擦力来定出连接需要的预紧力大小。对于受拉螺栓连接，σp的取值如下：在一般机械，σp=（0.5~0.7）σs；

在航空航天机械，σp≈0.35σs；

在特殊连接如高强度螺栓摩擦连接，

σp≈0.75σs；

预紧力指标的确定要考虑如下因素：是受拉螺栓还是受剪螺栓，螺栓是否承受变载荷，对连接有无密封要求，安装工具和方法的精确程度如何，连接所在部位是否便于安装等。

一般机械连接，钢螺栓所用的预紧力也可考虑上述因素并参考下表数据确定。

航空航天机械连接螺栓的预紧力按HBO-63-86确定。

对于重要的螺栓连接，在产品装配图样中应注明预紧力或拧紧力矩指标，安装时要采取措施严格控制。

二、螺栓连接的防松

螺纹连接的不足之处就是在变载、振动和冲击作用下，以及工作温度变化很大时可能松

动。由松动引起连接预紧力减小甚至丧失，从而不能保证连接的紧密性，甚至造成连接松脱或连接中各件过早产生疲劳破坏，最后导致机器或飞行器等严重事故发生。

松动是一个极复杂和涉及范围很广的问题，至今还有许多问题没有得到很好的解决。例如载荷引起连接松动特性数据变化的关系，通过典型松动试验方法来评价连接松动特性与实际使用情况的关系，防松方法的应用与选择等。

1、松动机理

一般螺栓螺母均用普通螺纹，由于在静载荷下，螺纹升角小于螺纹副的当量摩擦角p′，所以螺栓螺母螺纹副可满足自锁条件，再加上拧紧后螺母（或螺栓）与被连接件或垫圈支承面之间的摩擦，因此如果不是支承面压陷过深，在静载荷下连接都能保证不会松动。

螺母在开始松动时，要克服螺纹力矩和螺母支承面力矩的阻碍。在螺栓预紧力Qp的作用下，总的阻止螺母松动力的力矩为：

使螺母松动的力矩大小与此相等，T′近似等于拧紧力矩T80%。可以认为，以力矩T拧紧的螺栓连接，只要作用在螺母或螺栓头部的松动力矩不大于0.8T，连接就不会发生松动。但在变载、振动和冲击作用下，螺纹副的摩擦系数急剧降低，且螺纹副和螺母支承面处的摩擦阻力会瞬时消失，式（1）此时不再适用，螺纹副不能满足自锁条件而有微量相对滑动，导致螺母回转，这样多次重复就会导致螺栓连接松动。

在螺母受压和受拉螺栓连接中，当拉力作用时，由于螺纹牙侧面正压力的径向分力使螺母母体径向扩张；而螺栓栓杆则径向收缩，因此螺纹副间将有微量相对滑动。试验证明，当有此径向相对滑动时，螺母相对于螺栓回转的切向滑动很容易产生，这种现象重复多次导致连接松动。

以上是关于螺母在拉力载荷作用下从微量相对滑动到回转而最后导致连接松动的机理

的两种分析。

另外即使螺母不回转，螺母和螺栓头部与被连接件或垫圈的支承面由于压强过大而产生塑性环状压陷，并且在使用中这种塑性变形还可能继续发生，结果使连接的预紧力减小，也可能造成连接松动。

还有螺栓连接中互相接触面（如螺纹牙侧面、各支承面、被连接件相互接触面）由于粗糙度、波纹、形状误差等，在拧紧时产生局部塑性变形，并且在使用中的外力积累作用下，有一部分变形继续发展，也会导致连接松动。对于某一具体螺栓连接，其松动可能是多种因素引起的，因而涉及的几种松动机理，其中有主有次。因此防止螺栓连接松动应针对各个因素采取措施，而其根本之点是防止螺纹副向松动方向相对转动。一般情况增大预紧力是有利于防松的。再如克服上述两种塑性变形松动的常用方法是采用大垫圈以减小压强和在连接工作一段时间后补拧螺母以消除松动。

2、防松方法

根据防松原理可分为靠摩擦力、直接锁住和破坏螺纹运动副关系等三种。

（1）摩擦防松，在螺纹副之间产生一不随外力变化的正压力，以产生一可以阻止螺纹副相对转动的摩擦力，这种正压力可通过轴向或横向或同时两向压紧螺纹副来实现。

（2）直接锁住，用止动件直接限制螺纹副的相对转动。

（3）破坏螺纹运动副关系，在拧紧后采用冲点、焊接、粘结等方法，使螺纹副失去运动副特性而连接成为不可拆连接。

采用细牙螺纹、利用其升角小而达到摩擦防松，或同时采取两种防松方法互为补充，也是很好的设计构思。航空航天机械用螺栓螺母其螺纹直径大于10mm的和许多承受变载的机械用螺栓螺母，都采用细牙螺纹的其原因也在于此。

常用螺栓连接防松方法，对螺钉连接和双头螺柱连接也适用。

三、螺栓连接选用的注意事项

选用螺栓连接时，要区分是受拉螺栓连接还是受剪螺栓连接，或者是受拉受剪螺栓连接。这三种连接的受力情况、结构细节、防松方法、装配工艺、预紧程度、提高强度的措施等，都有差异。选用连接时，采用受拉螺栓还是受剪螺栓，主要由被连接的结构形式和载荷状况决定。