技术帖 - 螺纹紧固件拧紧力矩

如何形容一架飞机给人的印象呢? 就一个字，“大”。要不怎么总说大飞机梦呢。往专业的角度上说，就是复杂，包括机身机翼结构、液压系统、起落架系统、飞行控制系统、燃油系统等等。

我们拿机翼来说，除去附着在机翼表面的蒙皮，有沿翼展方向的翼梁和桁条和垂直于翼展方向的框架和隔板，这些部件组装在一起，就是机翼结构。它们支持着分布在机翼上的载荷，是飞机的主要结构部件。

把这些基础零部件组装在一起形成飞机这个庞然大物的就是数量最多、尺寸最小、最平凡的各种紧固件。

平凡并不意味着简单，不同的尺寸型号、不同的强度等级、不同的应用部位，搞错一个，结果可能都是致命的。组装过程也同样重要，例如组装螺栓和螺母，看似十分简单，直接拧紧就可以了，但真的这么简单吗？

螺纹紧固件的紧固过程涉及到扭力输入和转角的控制，来达到预期的预紧力。在拧紧的这个过程中会有很多因素影响最终的预紧力大小，这个过程可以看作是一个能量传递的过程，如下图所示，曲线下方的面积与紧固件拧紧所需的能量成正比。

恐怕只有真正掌握了这个曲线，才能很好的掌控螺纹紧固件拧紧的过程。我们首先要搞明白的是在拧紧过程中，究竟发生了什么。下面再把这个曲线进行细化，那么紧固件的拧紧过程就可以分成四个阶段：

1．       紧固件的头部或是螺母还没有与连接板材发生接触；

2．       紧固件和接头开始配合对齐；

3．       弹性夹紧阶段；

4．       屈服阶段。

在这四个阶段中，安装者都在不停地往系统中注入能量或者说是扭矩， M=F*L，但是通常这些能量不会百分之百的转化为安装所需要的预紧力，甚至说只有很少一部分可以转化为预紧力，那么它们都被分配去了哪里？

1.    螺栓头底部与连接件的摩擦至少占去45%；

2.    螺栓螺母的内外螺纹间的摩擦大约占去45%；

3.    转化为预紧力的大约占10%。

由此可见，在安装过程中摩擦占去了扭矩很大的一部分。而对于这种摩擦力，对于所有的螺纹紧固件来说，都可以参照以下扭矩-张力的公式来计算：

T = K D F

T：扭矩

K：系数

D：公称直径

F：扭力

系数K，它是一个变量，随着各种不同的应用环境，例如表面处理、涂层和润滑剂组合的变化而不同。

如果在设计使用过程中选用某个直径尺寸的紧固件，并且已知应用条件的K值，则可以计算出安装必要的扭矩。然而，实际经验表明，任何假定的K值对于特定的紧固件应用来说都不是百分百可靠的，安装时的实际情况也可能会导致实际预紧力的变化。

有些安装需要在到达所需的扭矩后，再给螺栓旋转一定的角度，该方法的实际意义是为了达到曲线所示的屈服阶段，即发生轻微塑性变形，这样可以保证安装达到一定的预紧力，但是同样有也缺点，即紧固件本身已经发生了轻微的沿轴向的塑性变形，重复使用恐无法再达到所需的预紧力。

希望以上这些曲线图和示意图对您的理解有帮助。机械绘图软件使用的多了，再拿起铅笔来手绘就显得有些笨拙，敬请见谅！

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