螺栓連接原理

經常打螺絲的小夥伴都知道 螺絲真正厲害的地方 從來不是有多硬 而是它在受力的時候會被拉長 你過來 我今天通過一個實驗來給你解釋 這是一個簡單的螺栓連接 兩塊鋼板中間打孔 一根螺栓穿過去 再把螺母擰上 你以爲是在把它擰緊 其實你是在把螺栓拉長 當你轉動螺母時 螺紋開始裂合 螺母每轉一圈都會順着螺紋 把螺栓一點一點往下拉 螺栓被強行拉長之後 就會拼命想縮回去 就把兩塊鋼板死死按在了一起 這股先把螺栓拉緊產生的力 就叫預緊力 預緊力能讓連接更牢 更不容易疲勞失效 很多時候靠的就是這股預緊力在頂 螺栓連接能扛多大力 就取決於它是怎麼受力的 在工程上 通常有一種往外拽的拉力 和另一種是橫着推的剪切力 先說第一種往外拽的拉力 如果你沒把螺栓擰緊 外力一來 兩塊鋼板立刻就被拉開 所有力瞬間全砸在螺栓身上 螺栓很快就會被拉斷 但如果你一開始就把螺栓拉得很緊 情況就完全不一樣了 外力一來 第一件事不是拉斷螺栓 而是先抵消鋼板之間的加緊力 只要加緊力還在 螺栓其實並沒有承受多少額外的拉力 你可以把它想成兩根彈簧 一根是螺栓 另一根是被加緊的鋼板 鋼板這根彈簧又粗又硬 螺栓這根彈簧又細又軟 所以外力來了以後 大部分力都被鋼板吃掉了 螺栓只會分到很小一部分 這也是爲什麼 擰緊的螺栓反而更耐用 只有當外力大到把加緊力徹底頂沒了 兩塊板纔開始分開 這時候螺栓纔會真正開始硬扛 在網上就可能直接斷裂 所以在工程裏 只要加緊力沒了 就已經算失效了 哪怕螺栓還沒斷 再來看第二種橫着推的剪切力 這種在鋼結構裏最常見 這時候擰緊螺栓的作用就更明顯了 因爲加得越緊 兩塊板之間的摩擦力就越大 只要摩擦力夠大 外力根本傳不到螺栓上 也就是說螺栓根本不幹活 而這種靠摩擦力頂住外力的連接 叫防滑連接 但如果外力大到把摩擦力頂沒了 零件開始滑動 這時候螺栓纔會被頂住被剪 有些結構本來就允許滑一點 那螺栓就是專門用來頂住的 這種就叫承壓連接 承壓連接的失效方式也很多 可能是板子被拉裂 可能是孔被擠變形 也可能是螺栓被直接剪斷 所以設計時會盡量讓螺紋 不要剛好落在受剪的位置 因爲螺紋那裏最細最容易出問題 如果讓螺栓同時在兩個地方受剪 那它能承受的力幾乎能翻倍 這就叫雙剪切力 而現實情況往往更復雜 很多螺栓既要受拉又要受剪 甚至受力還是歪的偏的 那就會額外產生彎曲扭轉 這些工程師都必須一併考慮進去 所以這就有個問題 螺栓到底要擰多緊纔算合適呢 最常見的方法是控制扭矩 也就是用扭矩扳手 但因爲螺紋摩擦 可能只在目標值上下25%之間 最準的方法是直接量螺栓被拉長了多少 因爲拉長多少就等於受了多大的力 在航天工程裏 甚至會用傳感器實時測螺栓的伸長量 不過就算擰得再準 螺栓的預警力也會隨着時間慢慢下降 所以工程上會常用防松膠特殊電圈 甚至在使用一段時間後再復剪一次 說到底螺栓連接看起來簡單 但真正可靠的不是擰上就完事 而是對受力預警和細節的理解 這纔是螺栓連接真正工作的樣子