如何选择正确的螺栓尺寸？

在工程、制造和建筑领域，螺栓连接常常被忽视。选择简单的螺栓/螺母作为紧固件是对其复杂性的一种低估表现。常见的一种错误是螺栓尺寸选择过大，这将导致代价高昂的维修或事故。

1940年11月7日的早晨，一阵微风拂过塔科马海峡。虽然风力不大，但是能看到吊桥的明显晃动。Barney Elliott是当地一家照相机店的老板，他用自己的设备记录下了这段独特的历史材料。之前就有人提到过，在刮风下雨的时候，这座桥梁就有摇摇欲坠的感觉。就在这一天，大桥的晃动形成了所谓的扭转共振，最终导致垮塌，幸运的是没有造成人员伤亡事故。

2008年发表于《声音与振动杂志》上的一篇文章指出，气弹颤振是造成大桥垮塌的主要原因，缆绳的位移（摩擦力丧失）则加剧了这种颤振现象，最初用于紧固这些缆绳的螺栓承受的实际作用力远远大于其设计承载范围。如今，塔科马大桥垮塌事件成了一个警示性的事故案例，对于所有建筑专业的学生都是一个值得吸取的教训。

螺栓只有被拧紧到指定的预紧力才能提供最好的夹紧力。拧紧环节的任何偏差都会对连接的完整性产生影响。正确拧紧后的螺栓只会承受一小部分的外部载荷。

Bill Eccles是螺栓连接领域的专家，也是英国网站Bolt Science的创始人。他认为，选择正确的螺栓尺寸关键在于理解并量化螺栓连接所承受的作用力，以及它们之间的关系。

“螺栓的作用是在连接处行程夹紧力，以防止外力作用下的横向移动。处于拉伸状态的螺栓会为连接处提供张力效应。"因此，使用最大尺寸的螺栓不是最佳解决方案。

“大尺寸螺栓不仅意味着成本的增加，对于给定的连接厚度，螺栓越大，被拉伸的程度就越小。这很复杂，因为任何螺栓连接都会出现松弛或嵌入损失的现象，接触材料也会被压缩一点，大尺寸螺栓的拉伸量就会减少得更多，从而产生松动或间隙。“

小尺寸螺栓又会如何？

“对于较小尺寸的螺栓，虽然松弛会造成张力的一定损失，但螺栓本身具有的更大的拉伸性会起到补偿作用。“

Jeff Vogwell是英国巴斯大学机械工程系的高级讲师。他认为，螺栓尺寸的选择取决于螺栓本身的材料强度。“螺栓尺寸会影响可施加的拉力——通常，尺寸越大或材质越坚固，可施加的拉力就越大。”

Vogwell认为，一个良好的螺栓连接一定是螺栓处于拉伸的状态，从而使夹紧的部件处于被压缩的状态。夹紧部件之间的摩擦力可以阻止滑动（剪切），从而保护螺栓免于剪切应力的作用。任何作用力都要先“解压”夹紧部件，这就有效地防止了螺栓在动态外部载荷环境中发生疲劳现象。

“将汽缸盖与发动机主题紧密连接就是一个很好地例子——为了承受每个循环中发动机气压所导致的载荷，高拧紧扭矩是必须的。”

Nobuyoshi Niina是英国斯伦贝谢公司的机械工程师，这个位于格洛斯特郡的钻井中心，为整个公司提供服务支持。

该中心设计并测试各种钻井设备，螺栓连接测试是很重要的一部分工作。

“钻探工具的螺栓连接非常重要，因为这些工具经常处于极端温度、压力、冲击和振动的应用环境中。任何的工具故障都会造成代价高昂的宕机，而且完全修饰几乎是不可能的。“有几种方法可以生产最牢固地螺栓连接。

Nobuyoshi Niina提到：“具体应用所需的夹紧力都是通过一系列复杂的计算机建模得出的，并且加装了如洛帝牢防松垫圈的装置，以杜绝任何松动。”

如何确定合适的螺栓尺寸？

螺栓的作用是将两个或多个部件夹紧在一起。但是，螺栓的特定目的是在连接处产生夹紧力，而不承受任何剪切、弯曲或过大的动态载荷。

所选的螺栓能够承受一定的夹紧力，从而避免外力施加或沉降现象导致的夹紧件之间的相对移动现象。因此，直径较小而拉伸长度较长的螺栓总是具有一定的优势，即最大限度地减少因沉降而导致的夹紧力丢失现象，并形成可以吸收振动和外加载荷的弹性连接。如果尺寸过大，则螺栓不能被拉伸到相应的长度，也就无法达到给定的预紧力。因此，即使小的沉降也会造成较大的夹紧力丢失。此外，较粗的螺栓不如较细的螺栓具有弹性，因此，施加载荷更多地是被螺栓本身而不是夹紧部件所吸收，这就会造成螺栓的疲劳失效。

螺栓尺寸过大并不总是意味着更高的夹紧力或者更牢固的连接。相反，它会导致连接处的夹紧载荷过低，成本和疲劳失效风险增加，紧固也变得更加困难。

总结：

•  明确负载情况
•  确定连接处所需的夹紧力
•  选则能承受该夹紧载荷的最小直径的螺栓
•  选择有效的螺栓紧固方式
•  选择合适的拧紧方式