螺栓/螺钉连接，预紧力如何施加

旋转螺母，螺栓被向下拉动，从而在螺栓中产生应力，并将两个连接的构件压至彼此紧密接触。

螺栓连接

螺钉连接

紧固件中的这种拉力称为预紧力，在出现外部载荷之前施加到螺栓或螺钉上，用于抵抗疲劳破坏，降低故障发生概率。

如果载荷沿螺栓轴作用，则为拉伸接头。

拉伸接头

如果载荷垂直于螺栓轴作用，则为剪切接头。

剪切接头

轴向施加的载荷试图将两个连接件拉开，如果在螺栓中没有任何预紧力，接头几乎会在施加载荷时立即开始分离。

施加轴向载荷，无预紧力

在有预紧力的情况下，载荷会被螺栓预紧力的一部分承受。

施加轴向载荷，有预紧力

随着载荷的增加，两个连接件之间的夹紧力逐渐减小。

载荷增加

将连接结构看作一个弹簧组件，施加预紧力时，蓝色弹簧（代表螺栓）被拉伸，并固定到位。

螺栓连接结构弹簧模型

连接构件弹簧（红黄色）会承受大部分载荷，因为它比螺栓弹簧硬的多（弹性模量大）。

如果施加的载荷足以克服夹紧力，两个构件就会彼此分开。此时施加的外部载荷将全由螺栓承受，直到失效（螺栓断裂等）。

载荷克服夹紧力

张紧接头也有可能因连接件失效，或螺栓、螺母的螺纹脱落失效。出于可靠性考虑，通常认为一旦克服夹紧力就会发生拉伸接头失效。

在使用夹紧力来保持密封的连接中，一旦夹紧力降到临界值以下，就认为失效（发生泄漏）。

密封失效

夹紧力对于承受循环载荷、有疲劳失效风险的接头是必要的，疲劳寿命是所施加应力范围的函数，而不是所施加应力大小的函数。

由于预紧接头中的螺栓只承受总载荷中的一部分，因此它的疲劳寿命比没有预紧的螺栓长的多。

循环载荷

剪力接头，对螺栓施加的预紧力产生的夹紧力会产生摩擦力，从而阻止两个构件间的任何滑动。

剪切载荷

摩擦力等于垂直于接触面的压力乘以摩擦系数。在剪力连接中，压力等于预紧力，摩擦系数取决于材料表面。

摩擦力大于所施加的剪切力，螺栓就不会承受任何剪切载荷，而只受拉伸载荷。

摩擦力大于剪切力

如果施加的载荷超过摩擦力，接头会打滑，连接件会与螺栓直接接触。在某些情况下，连接打滑，即可被认为失效，但在其它情况下是可以接受的。

剪切载荷超过摩擦力

失效形式有以下几种，一是因为夹紧材料的拉伸断裂而失效。

连接件拉伸断裂失效

螺栓孔拉长变形失效。

孔拉长失效

孔靠近边缘，连接件被撕裂失效。为降低撕裂风险，螺栓应位于距边缘至少两个直径的位置。

连接件撕裂失效

螺栓的剪切应力超过材料的剪切强度时，螺栓断裂失效。

螺栓断裂

对于最后一种失效，最好避免紧固件的螺纹延伸到剪切处，因为螺纹处横截面积减小会导致剪切应力更大。

螺纹处收剪切

螺纹处不受剪切

上面的剪切接头称为单剪切，即有一个剪切平面。

下面的接头有两个剪切面，称为双剪切接头，螺栓承受的剪切应力减半。

双剪切

接头并不只是承受拉伸和剪切载荷，有时拉伸载荷会降低预紧力，从而降低用于抵抗剪切载荷的摩擦力。

复合载荷

偏心的拉伸和剪切载荷会导致弯矩作用在接头上，又可能会导致额外的剪切和拉伸载荷。

偏心负载

这就需要我们施加合适的预紧力来应对各种载荷。应该对螺栓施加多大的预紧力，这取决于实际应用，简单的回答是预紧力要尽可能大，但不要高到夹紧力损坏被连接的零件（主要的限制因素是螺栓的强度）。

通常给螺栓施加其屈服强度的70%预紧值。

预紧力计算：

At——螺栓的有效横截面积。

常用的M12结构钢螺栓的70%屈服预紧力约为38kN。

要增大预紧力，可以增大螺栓规格，也可以使用更大屈服强度的材料。

使用扭力扳手可以有效控制施加在螺栓上的预紧力。

扭力扳手

扭力计算公式：

螺栓扭力公式

F——预紧力；

D——公称直径；

K——螺母经验参数，通常为0.2左右，因具体应用会有较大差异。

这种通过扭矩扳手控制预载的方法被普遍使用，但并不是很准确。施加载荷时，会出现螺纹摩擦、螺母和螺栓头的摩擦，润滑的使用会带来很多不确定性。因此使用扭力的方法可能仅会获得目标值的25%，这对于很多工程应用已经足够好了，但在某些情况下需要更高的准确性。

扭矩扳手控制预载误差来源

另一种控制预紧力的方法是将螺母拧到足以将将两个配合面贴住，然后再转动一个角度，可以根据螺栓长度、材料杨氏模量计算实现所需预紧力需要的角度，也可以通过试验确定。

这种方法称为转动螺母法，易于使用，不需要任何专业设备，但它的准确度仍然只有15%左右。

转动角度控制预载

控制预紧力最准确的办法是测量螺栓的伸长率，因为通过伸长率可以算出螺栓中的拉力。如果可以接触到螺栓的两端，则可在拧紧前后使用卡尺测量伸长率。

测量螺栓伸长量

但更适用的是使用超声波测量，直接计算出预紧力，误差在±1~5%。

超声波测预紧力

国际空间站使用的停泊系统结构，使用16对螺栓螺母连接实现密封，使用力矩电机施加90kN的预紧力。

停泊系统端面

停泊系统对接

为了准确控制预载力，在接头中加入了带有应变计的称重传感器，以测量螺栓的伸长率，因为仅测量施加的扭矩不够准确。

90kN预紧

实际使用中，任何螺栓的预紧力都会随着时间的推移而减少。预载失效的主要原因之一是嵌入，它发生在紧固件被拧入后的几分钟或几个小时内。

预紧力时效性

当接头的各个表面接触时，由于接触表面的微观峰谷，会发生局部屈服，这会减小螺栓头和螺母之间的间隙，从而导致预紧力损失。

连接件压紧前

连接件压紧后

在接头的整个使用寿命期间，也可能会发生额外的预紧力损失情况，例如振动载荷导致接头松动，高温蠕变等。

为了减少预紧力的损失，最好使用锁紧机制，如粘合剂或特殊垫圈，以帮助防止接头松动，并在初始拧紧和嵌入后拧紧接头。

锁紧

要了解螺栓连接，需要知道施加的载荷在螺栓和连接件之间如何分配，一个常用的工具是联合图，可以直观看到接头处的力和变形。

螺栓连接联合图