接下来说说螺栓的紧固方法,是不是“在扳子上挂个火勺,狗都能干”。
大家看主机厂生产线上工人打螺丝,每一个工位都是用专用的扭力扳手;还有修理厂修车过程中,在紧固重要螺栓时,也使用扭力扳手。这种扳手设定了固定的力矩,超过规定的力矩就会卸载打滑,避免螺栓过度紧固。那么螺栓为什么要按扭矩扭紧呢,难道不是越紧越好吗?
首先我们来看一下螺栓的自锁原理。螺栓本质上是一个弹性元件,变形遵循胡克定律,它的倔强系数与螺栓的弹性有关。当螺栓紧固受力时,会发生轴向拉伸变形,产生弹力。这个力作用在内外螺纹之间,产生巨大的摩擦力,可以防止螺纹之间相互滑动,进而实现自锁。
从理论上来说,所有的联接螺栓都是可以实现自锁,紧固后的螺栓在静载荷作用下,是不会发生松脱现象的。但是,螺栓在交变载荷、连续冲击和振动载荷作用下,螺纹之间的摩擦力可能会瞬间消失,螺纹之间发生滑动,导致自锁失败。所以,为使螺栓联接可靠,必须采用防松动装置。一般采用增加摩擦力防松和机械方法防松两类,比如涂抹螺纹紧固胶、使用弹簧垫圈、双螺母、开口销等。此外还有更先进的自锁螺栓,比如高铁上使用的轮对螺栓等,号称“永不松动的螺栓”。
螺栓自锁的强度,取决于螺纹之间的压力;螺纹之间的压力,就取决于螺栓的拧紧力矩和螺栓的弹性模量。一般来说,螺栓连接的拧紧力矩越大,螺纹之间的压力越大,摩擦力越大,螺栓连接的自锁能力越好。但是如果螺栓的紧固力矩过大,反而让会导致螺栓连接自锁失败,这是为什么呢?
螺栓是一个弹性元件,在它的拉伸变形过程中,会发生弹性变形-塑性变形-断裂这三个阶段。其中弹性变形阶段是螺栓自锁的有效阶段,这个阶段螺纹之间的摩擦力随着扭紧力矩的增大而增大,扭紧力矩越大自锁效果越好。如果到了塑性变形阶段,螺栓的弹性模量就会迅速下降,螺纹之间的摩擦力减小,自锁就会失败。如果继续增加力矩,螺栓就会发生颈缩,然后断裂。螺栓从弹性变形转换到塑性变形的点称为“屈服点”,这个强度称为“屈服强度”,这是螺栓允许使用的最高强度。
所以,螺栓紧固时,一定不能超过规定的扭矩,并不是越紧越好。绝大多数的螺栓紧固力矩都是在弹性变形阶段,这样的螺栓松开后会恢复到原来的尺寸,可以继续使用。个别螺栓会紧固到螺栓的屈服点,这样的螺栓拆卸后已经发生永久变形,弹性大大下降,只允许使用一次,不允许重复使用,比如个别车型的气缸盖螺栓、曲轴螺栓、连杆螺栓等。
关于这一点,我们最常见的错误操作就是轮胎螺丝的紧固。我们在更换轮胎时,都怕轮胎螺丝松动发生事故,所以就用最大的力气紧固,或者使用风炮紧固。其实这样的操作,很容易损伤轮胎螺丝。如果轮胎螺丝紧固力矩过大,超过了轮胎螺丝的屈服点,导致轮胎螺丝发生永久性的塑性变形,螺栓的弹性大大减小,车轮反而紧不住了。还有就是,轮胎螺丝反复多次拆装会导致螺栓发生金属疲劳,弹性下降,车轮的紧固力也会减小。所以,轮胎螺丝我们一定要按规定的扭矩紧固,如果多次使用的螺栓,还是更换为好。
此外,如果一个零部件使用多个螺栓紧固时,这些螺栓的紧固顺序与紧固力矩都有严格的标准。一般来说,螺栓要从中间向两边对称分步扭紧,而不是一次性紧固。这样做的目的,是降低零部件内部的应力,防止零部件发生变形。如果不按标准紧固的话,零部件内部各个部位产生的内应力大小不一,个部位变形不均匀,零部件很容易发生密封不良、早期损坏等故障。
还有就是,我们在安装螺丝前,一定要确认螺栓与螺母的螺距、牙型、旋向等参数相符,如果螺纹有破损要修复或者更换;在安装时要彻底清理螺栓孔内的污泥、积碳、冷却液或机油等杂物和液体 ,否则螺纹可能无法紧固到规定的位置;此外,所有的螺栓拆卸与安装都要在冷态下进行,如果是热态拆装,很容易发生零部件变形。