在過去幾十年里,，緊固件行業(yè)在提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和可靠性方面取得了巨大的進(jìn)步。然而,，無論緊固件本身設(shè)計(jì)和制造得多么好,，它都不可能單獨(dú)使用,。

  對于緊固件的選擇,，應(yīng)基于理解它如何承受載荷機(jī)制,，以及擰緊工藝對其造成的的影響,。

  今天，法士威給大家講講在連接設(shè)計(jì)中,，螺栓如何承受外部載荷,。

  在同一個應(yīng)用中，完全擰緊的螺栓可以一直使用下去,，而未擰緊或松動的螺栓可能會在幾秒鐘內(nèi)失效,。因?yàn)楫?dāng)外部負(fù)載施加到一個擰緊的螺栓的接頭上時，螺栓不會承受全部的負(fù)載,，通常只是其中的一小部分,。這似乎有點(diǎn)違背常識，希望通過此文章能夠解釋清楚,。

  螺栓是由彈性材料制成的，比如鋼,。當(dāng)螺栓擰緊時,，螺栓會像彈簧一樣拉伸 (圖1)。

被連接件通常也由同樣有彈性的金屬材料制成,。當(dāng)螺栓擰緊時,，連接件像彈簧一樣被壓縮 (圖2)。

 螺栓和被連接件結(jié)合在一起,，作為一個組合彈簧系統(tǒng),。在擰緊的過程中，螺栓中的張力與接頭中的壓縮力平衡 (圖3),。

  通過施加軸向載荷可以拉伸螺栓或壓縮被連接件（圖4）

  由于連接件的剛度通常是螺栓的五倍以上,，所以，軸向載荷的主要影響是減少了連接件的壓縮,，而不是拉伸了螺栓,。這一點(diǎn)可能很難被意識到。

  圖5展示了將支架固定到支撐板的螺栓和螺母,。

 當(dāng)螺栓上的螺母松動時,，如果支架增加1個單位力，如圖6所示,，則螺栓桿部將增加1個單位力,。

  然而，如果螺母被擰緊,，然后同樣施加1個單位力,，螺栓桿部的力則不會增加1個單位力,，通常只增加該量的一小部分。

  現(xiàn)在思考一下,，為什么螺栓不能承受所施加載荷的全部,。

  通過一個模型可以幫助理解為什么螺栓不承受所施加載荷的全部。

   圖7是通過使用特殊的緊固件來說明螺栓連接中涉及的載荷傳遞機(jī)制,。在這種特殊裝置中,，直到施加的載荷超過緊固件的預(yù)緊力，緊固件才會承受顯著的載荷增加,。

  通過所示的特殊裝置,，螺栓可以在殼內(nèi)自由移動，在殼內(nèi)裝有一個壓縮彈簧,，這樣,，如果螺栓被拉伸，彈簧將會被壓縮,。殼體側(cè)面的刻度表示彈簧中存在的力,，以此代表螺栓桿部中存在的力。圖7顯示螺栓未擰緊狀態(tài),。

  現(xiàn)在,，將螺栓插入支撐板和連接特殊裝置的支架上，然后將螺母擰緊到螺紋上,，如圖8所示,。

 螺母旋轉(zhuǎn)，彈簧將被壓縮,。螺母旋轉(zhuǎn)使2個單元力指示在殼體上,，則作用在彈簧上的壓縮力為2個單元力，螺栓桿部承受拉力也將為2個單元力,。此時螺栓處于擰緊狀態(tài)且不受任何工作負(fù)載,。

  現(xiàn)在如果在支架上增加1個單元力 (如圖9) ，那么通常的反應(yīng)會認(rèn)為螺栓中的載荷會增加,，但令人驚訝的是,，它仍將保持其現(xiàn)有值2-沒有 “感覺到” 任何額外的力。

  為什么會這樣?

  可以想象一下如果螺栓上的負(fù)載增加,，那么,，將壓縮彈簧，并在支架和板之間形成間隙,。如果要形成這樣的間隙,，則意味著將有2個單位的力向上作用，考慮到的力的平衡,，目前僅施加了1個向上作用的單位力,。

   所以實(shí)際發(fā)生的情況就是,，施加的載荷僅是減小板和支架之間存在的夾緊力。

  在沒有施加負(fù)載的情況下,，夾緊力為2個單位力,；而在施加負(fù)載后，夾緊力降低到1個單位的力,。螺栓幾乎不會 “感覺到” 任何施加的力,，直到它超過它的夾緊力。

  圖10顯示了當(dāng)施加了3個單位力負(fù)載時,。連接將被分開,，并且3個單位力將與彈簧中的3個單位的力達(dá)成平衡。

  從設(shè)計(jì)角度來講,，連接分離點(diǎn)通常被視為接頭具有的有限長度的點(diǎn),。通常由于施加載荷的偏心率，還會產(chǎn)生彎曲力,，反復(fù)作用會迅速導(dǎo)致螺栓疲勞失效,。

 在實(shí)際實(shí)踐中，在接頭分離之前,，螺栓將承受一定比例的施加載荷,，承受量取決于螺栓對夾緊材料的相對剛度。這是由于擰緊時,，對手件被壓縮，螺栓被拉長,。

  正如如圖11所示,。當(dāng)施加載荷時，連接件的壓縮量減小,，相當(dāng)于兩個接合面之間的距離增加,，同時螺栓上的載荷也增加。

  通過螺栓和接頭的剛度以及壓縮量,，可以計(jì)算出螺栓承受的載荷,。

  螺栓連接成功與否，關(guān)鍵是作用于連接界面的殘余夾緊力,。也就是說,，施加外部載荷時是否會發(fā)生接頭分離或移動。

  隨著作用在接頭上外部載荷的增加,，夾緊接頭的力逐漸減小,。

  如果夾緊力由于施加的載荷而降低到零，螺栓將會完全承擔(dān)該載荷的任何后續(xù)增加,。

   研究表明,，由于外部載荷的影響,，導(dǎo)致連接層之間的夾緊力低于設(shè)計(jì)需求，是接頭發(fā)生失效的主要故障,，從而會引起液體的泄漏 (密封要求的連接) 或螺栓松動,、疲勞斷裂。

  在實(shí)際應(yīng)用中,，通過螺栓的提供的夾緊來增加摩擦力,，可有效地防止連接件的移動，所以必須保持一定水平的夾緊力,。

  如果夾緊力降低到該水平以下,，則會導(dǎo)致接頭移動，從而大大增加 螺母/螺栓頭下的塑性變形風(fēng)險,， 導(dǎo)致螺栓失去預(yù)緊力,，從而引起松動或疲勞失效。