擰螺栓 VS 擰螺母

在汽車裝配方面，螺紋緊固方式較為常用的有扭矩法、扭矩加轉(zhuǎn)角法和屈服點(diǎn)法，共 3 類。

其中，扭矩加轉(zhuǎn)角法因其可降低因螺紋摩擦系數(shù)波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)角擰緊所產(chǎn)生的預(yù)緊力的影響，設(shè)計(jì)預(yù)緊力可取到螺栓屈服強(qiáng)度的80%以上，甚至可以利用到螺栓屈服強(qiáng)度以上，已在越來(lái)越多的汽車底盤(pán)關(guān)鍵部位得到應(yīng)用。

常規(guī)緊固件旋轉(zhuǎn)方式，都以螺母為主要擰緊對(duì)象，固定螺栓頭。但某些特殊的緊固部位，受空間所限，擰緊設(shè)備無(wú)法伸入，只能通過(guò)夾持螺母旋轉(zhuǎn)螺栓達(dá)到緊固。

那么，擰螺栓和擰螺母在應(yīng)力狀態(tài)上是不是也會(huì)有差異，認(rèn)為擰螺栓可能會(huì)應(yīng)力更大，實(shí)際情況又是怎樣的呢？而且從航空緊固件擰緊手冊(cè)中，也可以看出擰螺栓要比擰螺母高出約10%，具體什么原因呢？

  一）問(wèn)題說(shuō)明

    對(duì)于焊接螺母、鉚接螺母、焊接螺栓、鉚接螺栓、內(nèi)螺紋孔等類似的地方，大家不會(huì)糾結(jié)到底是擰螺栓還是擰螺母。

因?yàn)檫@種類似的地方只能擰一個(gè)零件：螺栓或者螺母（雙頭螺柱和螺母組合），另外一個(gè)零件都是已經(jīng)固定好了，不能進(jìn)行擰緊，只能擰緊螺栓這個(gè)零件，也就不存在擰螺栓和擰螺母的差異了，如圖。

像下面這個(gè)螺柱連接也就只能擰螺母。

對(duì)于存在擰螺栓還是擰螺母爭(zhēng)議的地方就是螺栓螺母連接，這種情況下既可以擰螺栓，也可以擰螺母，這樣就會(huì)涉及到擰螺栓還是擰螺母的問(wèn)題了，也就會(huì)涉及到擰螺栓還是擰螺母的差異問(wèn)題。

這樣，就會(huì)產(chǎn)生到底是擰緊螺栓還是擰緊螺母，不同的擰緊方式會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

 二）理論分析

  1、對(duì)于是擰螺栓還是擰螺母，通過(guò)查找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析，目前暫時(shí)沒(méi)有哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)明確必須擰螺栓還是擰螺母。

也就是說(shuō)，對(duì)于擰螺栓和擰螺母兩種方式原則上都是可以的。當(dāng)然常規(guī)來(lái)說(shuō)，螺栓螺母的連接，一般都是擰螺母。

2、從受力方面來(lái)說(shuō)，擰螺栓和擰螺母螺栓都會(huì)受到拉應(yīng)力和螺紋扭矩施加的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力作用，所以，理論上來(lái)說(shuō)，擰螺栓和擰螺母兩者受力是一致的。

當(dāng)然有人會(huì)說(shuō)，擰螺栓的時(shí)候可能應(yīng)力更大。擰螺栓還是擰螺母，都會(huì)受到螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，還有螺紋扭矩產(chǎn)生的摩擦扭矩作用到螺栓上的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力。只要摩擦系數(shù)，支撐面直徑相同，理論上應(yīng)該綜合應(yīng)力是沒(méi)有差異的。

實(shí)際上，發(fā)現(xiàn)可能存在比較大的差異，主要是應(yīng)為螺栓，螺母的摩擦系數(shù)會(huì)存在差異，特別是螺栓頭支撐面和螺母的支撐面可能存在差異。例如有些螺栓頭是存在內(nèi)傾角和螺母實(shí)際上內(nèi)傾角的具體尺寸可能存在差異。

3、從摩擦系數(shù)上來(lái)分析，螺栓和螺母的摩擦系數(shù)可能不一致，這樣也就會(huì)造成擰螺栓還是擰螺母兩者是有差別的。

4、螺栓的尺寸和螺母尺寸也可能有差別，如果大家設(shè)計(jì)時(shí)候不注意，例如同樣選用法蘭面螺栓和法蘭面螺母，螺栓采用GB/T 16674.1標(biāo)準(zhǔn)的小系列六角法蘭面螺栓，螺母采用GB/T 6177.1的法蘭面螺栓，由于兩者的支撐面直徑是不一樣的，所以，在擰緊時(shí)候兩者等效摩擦直徑就會(huì)存在差別。

從這個(gè)方面來(lái)說(shuō)，大家設(shè)計(jì)時(shí)候，盡量選擇螺栓支撐面直徑與螺母支撐面直徑一致的螺栓螺母。 

5、螺栓穿入方便性考慮，.螺栓穿入時(shí)候在外側(cè)穿入比較方便，如果從里側(cè)穿入可能需要更大的空間，在外側(cè)穿入里側(cè)只需要留有螺母的厚度再加上一定的螺栓露頭長(zhǎng)度，再擰緊時(shí)候再考慮一定的防轉(zhuǎn)工裝的長(zhǎng)度即可滿足空間要求。

如果螺栓從里側(cè)穿入，首先對(duì)準(zhǔn)螺栓孔相對(duì)有一定的難度，空間也是需要相對(duì)更大一些。

6、螺栓擰緊方便性考慮，那一側(cè)穿入擰緊更便于布置擰緊工具。

7、從擰緊套筒來(lái)考慮，螺栓擰緊時(shí)候，套筒可以選用很短的套筒即可。如果擰緊螺母，需要考慮螺栓的露頭長(zhǎng)度，同時(shí)，有些螺栓還有一定的導(dǎo)向功能，伸出長(zhǎng)度會(huì)非常長(zhǎng)，套筒需要選擇更長(zhǎng)的套筒，增加成本，甚至?xí)档吞淄驳膭偠取?/span>

當(dāng)然，在防轉(zhuǎn)工裝設(shè)計(jì)中也會(huì)同樣用到另一端的長(zhǎng)套筒，所以，套筒的選取方面考慮，兩者也基本相同。

8、擰螺栓時(shí)候，如果不對(duì)中，會(huì)存在擰緊螺栓時(shí)候螺栓桿部與螺栓孔存在摩擦，增加了摩擦扭矩，這樣最終的輸入扭矩也會(huì)增加。而擰螺母就基本不會(huì)存在這種影響。

9、航空工業(yè)中，擰螺栓要求的公稱扭矩比擰螺母要高出約10%，這是什么原因呢？大家可以具體討論分析。

猜測(cè)難道是因?yàn)楹娇章菟ú捎眠^(guò)盈配合，會(huì)由于這個(gè)原因?qū)е?，還是螺栓的支撐面直徑比螺母要小？如果大家對(duì)這個(gè)問(wèn)題比較清楚，歡迎聯(lián)系螺絲君交流。

三）試驗(yàn)驗(yàn)證

選取符合質(zhì)量要求的螺栓螺母組合，輔以切割開(kāi)的被裝配零件，在測(cè)試臺(tái)上模擬實(shí)車狀態(tài)進(jìn)行螺母旋轉(zhuǎn)擰緊測(cè)試，切割開(kāi)被裝配的零件是為保證擰緊設(shè)備有足夠的空間旋轉(zhuǎn)螺母。

按照扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊，擰緊扭矩要求為180Nm+90°。通過(guò)擰緊螺母最終獲得工藝扭矩值約為310N×m，如圖所示。

由上圖可得，螺栓屈服點(diǎn)a為517N×m；點(diǎn)b為初始擰緊扭矩，該初始擰緊扭矩為180 N×m；點(diǎn)c為完成按照裝配要求從初始扭矩再旋轉(zhuǎn)90°后的最終扭矩點(diǎn)，此時(shí)扭矩?cái)?shù)值為305N×m。

將緊固件旋轉(zhuǎn)方式改為螺栓旋轉(zhuǎn)擰緊，獲得扭矩轉(zhuǎn)角如下圖所示。

圖 3 旋轉(zhuǎn)螺栓獲得的裝配扭矩曲線圖

由上圖可知，扭矩點(diǎn)c￠對(duì)應(yīng)的扭矩值已達(dá)406N×m，較旋轉(zhuǎn)螺母方式的最終扭矩331N×m 高出75N×m，超出比例為22.6%。

通過(guò)這個(gè)扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊試驗(yàn)也可以看出擰緊螺栓和擰緊螺母最終的扭矩會(huì)存在較大差異。

通過(guò)實(shí)車批量裝配，按照擰緊螺母進(jìn)行裝配，獲得的扭矩上限樣本如下圖所示，其扭矩值范圍為319～407N×m。

對(duì)上圖中扭矩上限超過(guò)400 N×m 的螺栓進(jìn)行螺紋段金相分析，如下圖所示，螺紋位置的金相組織未發(fā)現(xiàn)存在冷變形產(chǎn)生的塑性流變現(xiàn)象，說(shuō)明螺紋位置不存在明顯的塑性變形，該螺栓仍處于彈性變形階段，與試驗(yàn)曲線相符。