从螺栓看机械设计

今天我们来聊聊它,对了,就是螺栓。

你以为这个时候我要说:“你们还是另请高明吧,我一个搞航空发动机的,怎么来说螺栓了?”

但是实际上我却反要问你:航空发动机里的螺栓跟上图的螺栓有什么本质区别吗?

知道你不一定答得上来,我明确告诉你,除了精密螺栓之外,航空发动机中的螺栓与上图的螺栓没有什么本质区别。从功用上说,螺栓就是把两个带孔的零件压紧在一起的一种装配用零件。

我首先要强调的是:螺栓的结构简单,带螺栓的连接结构也同样简单,无非就是螺栓孔,螺栓,螺母这些东西。

这么说吧,即便是最高级的航空发动机上,理论上给你一把测力扳手——甚至于你可以随便去五金商店买一把,告诉你怎么拧,你也可以完成螺栓的装配,并且日后航发上天的时候,一点问题都不会有,整个装配的过程不需要多么复杂的仪器和丰富的经验。

从螺栓看机械设计

螺栓自锁垫圈

确实,以上的说法没有错,而知道这样的措施的人也在无意中明白了机械设计的第一层境界:功能设计,也就是用各种方法保证机械结构可以实现一个功能,并且在结构运行的过程中保证其完整性,不会掉个零件什么的。(上述说法不太严密,就当我随便说说的啦)

好了,这下似乎是行了,加上自锁垫圈,弹簧垫片(发动机里还经常用止动垫圈),围观的小王同学表示他干脆就把螺栓跟螺母之间焊死了,这下螺栓应该没有问题了吧。

那我就又要发问了:“你是否断过鞋带?”

虽然你表示这什么破问题,断鞋带和螺栓有什么关系?但是你仔细一想,好像你确实断过鞋带——就算自己没断过,可能看到别人断过。

我们导师没事儿提到过,人类最伟大的发明之一可能是鞋带。因为这是一种有效的连接结构。我一想,这说得有道理,鞋带确实是实现了很多你原先用单一的一个物体做不到的事情,比如说买20辆夏利用鞋带绑好了,开起来跟火车一样(郭德纲语)。

而“断鞋带”的意思就是,螺栓作为连接结构一部分,是要受力的,所以如果受力过大,螺栓是有可能断的——而且就算不断,螺栓拧的太紧,螺纹也是会变形的。

所以螺栓能不能用,用多大的螺栓——是用如下图这么大的螺栓,还是用小一点的尺寸,这些跟螺栓的直径、材料、工作环境有关,是要通过计算分析才能决定的。

而如果你知道螺栓的强度校核,那你已经知道了机械设计的第二层境界:力学设计。这层境界,你要考虑结构受力的大小,对结构进行受力分析,再根据结构的材料,确定结构会不会断裂。这又叫静强度设计,一般采取的原则是裕度设计,就是计算出来螺栓预计要承受1吨的拉力,那你找个承受300吨拉力都不会断的螺栓肯定是没问题的——当然,就是有点儿二而已,一般来说工程上会取一个系数,比如说1.5,也就是用一枚可以承受1.5吨的力的螺栓就能够保证这颗螺栓不会断,而如果希望结构更加可靠一些,系数取2,2.5,等等。

好了,这么看来螺栓结构也不过如此,毕竟一个大学一二年级的工科学生就会学到类似的强度校核方法和设计方法。

好了,这么看来螺栓结构也不过如此,毕竟一个大学一二年级的工科学生就会学到类似的强度校核方法和设计方法。

但是实际上,事情才刚刚开始……

首先,两个板子通过一个或者几个螺栓经过校核后连在一起,螺栓不会掉,也不会断,也不会发生不可恢复的塑性变形,你去用力的、不断的、连续的、粗鲁的将看起来连在一起的板子动来动去,扭来扭去,一段时间之后,请问你看到了什么?

正确答案:“一个精神有问题的虐板狂人。”

补充答案:“板子居然松了!”

我们不去管精神病的问题,就说板子松了事情,这个时候就有点儿费解了,螺母动了吗?确实不会动,不相信你可以焊死;螺栓断了吗?塑性变形了吗?也没有,毕竟螺栓受到的拉力经过校核,不可能让螺栓断裂或者塑性变形。那是怎么回事?