德国螺栓与国产螺栓伸长量不同可能原因探讨

苍狼大地

现碰到一个螺栓方面的问题，请教：

现象：
1. 被夹紧元件为量产件，随机抽取后装配，可认为被夹紧元件相同。采用德国产螺栓和中国产螺栓拧紧，拧紧策略为Torque to Angle 角度拧紧，初始拧紧扭矩和拧紧角度相同。
2. 拧紧后测量螺栓长度，然后松开螺栓后测量螺栓长度，螺栓伸长量=拧紧状态长度-松开后长度。结果为德国螺栓的伸长量明显比国产螺栓的伸长量更大。
3. 为了保证伸长量从而保证夹紧力，增加国产螺栓拧紧角度。但拧紧角度增加后，产品泄漏量比德国螺栓拧紧的增加，判断为拧紧力导致的变形引起间隙加大，泄漏量增加。同时监控扭矩国产螺栓比德国螺栓平均高1Nm。
4. 目前螺栓保证不松脱的安全系数为1.1，低于推荐的1.2~1.4，若伸长量不足，夹紧力不足可能发生螺栓松脱，从这个方向应该尽可能加大拧紧角度。沉头螺栓利用率为90% Rp0.2左右，由于沉头螺栓头部下的降强度效应，通常应用在80%强度上，所以进一步增加拧紧角度可能引起螺栓断裂。因此应用比较严苛，存在比较多纠结的地方。
5. 螺栓采用相同的设计，几何参数相同。材料满足DIN EN ISO 898-1 10.9级。
6. 采用相同的拧紧设备和拧紧策略，螺栓伸长量测试人员和测试方法相同。

问题：
1. 什么原因造成德国螺栓伸长量和国产螺栓伸长量不同？
2. 如何解决伸长量不同的问题？目前采用的手段是增加拧紧角度，保证伸长量相同。

调查分析：
1. 国产螺栓与德国螺栓的刚度（弹性模量）不同引起的螺栓伸长量不同？
2. 摩擦系数不同引起的螺栓伸长量不同？
3. 被夹紧元件变形不同引起的伸长量不同？
4. 螺栓松弛量不同引起的伸长量不同？
5. 是否还有其它可能原因引起伸长量变化？

问题价值判断：
1. TTA方法拧紧，转过相同的角度，螺栓伸长量只与转过的角度有关，常规理解应该伸长量相同。但测量结果却显示不同，Why？
2. 摩擦系数不同引起。采用TTA拧紧，摩擦系数只影响夹紧力和监控扭矩，不影响螺栓伸长量，应该不是根本原因。
3. 弹性模量不同引起。拧紧角度相同，即使弹性模量不同，影响的也应该是夹紧力，而不应该是伸长量。但存在国产螺栓和德国螺栓弹性模量不同的可能性。但弹性模量即使在同一批次都有可能存在差异，螺栓强度也存在差异可能性（如Rp 0.2可能差异150MPa），不同产地的弹性模量是否会如此显著差异？
4. 被夹紧元件变形不同引起。假设德国螺栓弹性模量E更大，相同伸长量引起的夹紧力更大，则被夹紧元件被压缩更大，拧紧后螺栓长度减小，螺栓伸长量（=拧紧后螺栓长度-原始长度）减小。德国螺栓伸长量更大，反推应为德国螺栓刚度更低，弹性模量更小。螺栓结构上相同，是否可能为螺栓材料存在较大的弹性模量差异？有没有谁有这块认知和经验。
5. 螺栓松弛量不同引起。德国螺栓伸长量更大，如果为这一原因，应该德国螺栓松弛量更大，德国材料的内部金相结构更差？是否可能？

请教：
1. 若谁有相关经验和认识，求分享。
2. 以上分析是否存在不合理之处，求指教。
3. 是否有其他可能原因。

谢谢。

zerowing

其实，大侠，我认为你实验监控的基准应该是预紧力。只有这个力和伸长量是直接对应的。而，旋角也好，扭矩也好，同伸长量之间不是一元函数问题。因为要区别审查的变量增加，所以难道得出结论。
实验应分为几个验证部分。
1。等预紧力下，两种螺栓的伸长量是否一样。或者说等伸长量下，两种螺栓的预紧力是否一样。这种容易操作。
2。两种螺栓旋合时的扭矩波动性。扭矩波动要分成两个部分独立的测。一个是定拉力下的螺纹波动。一个是定压力下的端面波动。其中，端面波动不影响扭转变形的角度误差。螺纹波动影响角度误差。
3。测量实际旋合预紧中的伸长量同预紧力变化的本身非线性弯曲程度。这个早前回复子子大侠的时候证明推导过。

2266998

你做金相检查，伸长量不同的，金相肯定不同的，这个定没错，

不同材料，你拧紧到70%，按时间比计算，伸长时间都是不同的，在试验机上能监测到，看计算机曲线能看到，

到‘第二平台’的时候，各种材料差异也大，这个你要注意，国外装配都有详细规程，什么材料的螺栓，拧紧到什么程度，什么时间内，再次拧紧，到什么程度，都有严格要求，

你玩大型柴油机，这些就更加严格，国人常不在意这些，设备螺栓有突然断裂的，

爱猫人士薛定谔

楼主你使用的拧紧策略否是 ：角度控制 + 扭矩监控 ，其中角度控制的触发扭矩值是多少？

conflagrant

打扰了，歪个楼请问螺栓伸长量具体指的什么
现象2：螺栓伸长量=松开后长度-拧紧状态长度
问题价值判断4：螺栓伸长量（=拧紧后螺栓长度-原始长度）
这应该是两个量吧？

zerowing

大侠的螺栓夹紧段长度有多少？

枯藤

请问，拧紧前和拧紧后的螺栓长度有没变化？你所说的伸长率差别有多少？是否存在塑性变形的问题？德国螺栓是KAMAX?

枯藤

有条件的话，测一下拧紧后的实际轴向锁紧力是否一致

爱猫人士薛定谔

理想情况下，从临界几何接触点（螺钉头下与被夹件上表面）开始。旋转的圈数相同，经过螺旋线的纯几何换算，在忽略螺纹变形的情况下，仅能得到“螺母轴向相对位移（相对于起始点）”相同。

这个力学模型主要涉及到，有以下两个关系（方程）：

1.扭矩与轴向力的方程，由于可以计算头下、螺纹摩擦，可以列出F=f（T），粗略的是一线性方程，实际测试（螺栓“扭矩-夹紧力”测试）也表明其在夹紧弹性阶段确是为近似直线。我做过M3-M10螺钉、螺柱的F-T测试，有些和理论值相当符合，方程中有摩擦系数。摩擦自始至终都会伴随拧紧过程。

2.螺栓伸长段-被夹件压缩段 的变形方程（三角图），由螺钉和被夹件轴向拉伸、压缩曲线组成。两者通过接触受力相同而关联。单个曲线通过杆件受轴向拉力方程列出。

Fl/(EA）=delta l

（下标是螺钉和被夹件，一个受拉一个受压）

以上应该没什么争议吧.

以下是我的一些想法：

螺栓若伸长相同，设其E不同，所得F亦不相同。同理，产生的F相同，假设E不同，伸长量会不同。

这里涉及到一个问题，那就是在被夹件相同的时候，不同的螺钉材料E值，螺母的行程相同是否就等于其变形量相同？

如果被夹件完全相同，那么，变形量是由力控制的，在写变形量方程时，并没有考虑这个变形量是怎么来的，更接近是由夹具直接拉伸、压缩而得到。而在拧紧时，让螺母在螺杆上前进一段距离，来让这个系统自己平衡。假设被夹件是铝合金的，螺栓是非增强PP塑料制的，旋转螺母下行，由于两者E的差别过大，变形基本由塑料螺栓发生。换成钢螺钉，铝发生的变形要高于螺栓。这时候，这两个螺栓，螺母转相同的圈数，其变形会相同吗？旋转螺母相同圈数是不能确定其轴向变形量相同的，而只是一种施加约束的过程。施加约束之后，系统会产生力平衡，从而得到对应的变形量。

所以如果你们没有测量螺栓整体刚度值，单纯比较伸长量大小是没有意义的。我建议测量其实际“角度-夹紧力”曲线。

或者先上拉力机测螺栓实物的拉伸曲线，得到刚度k，这个有标准的，我记得国内还是翻译的美军、航标的。

zerowing

有一个受弹模影响的因素。长径比。因为你提到了小螺栓。对于长径比大的螺栓，在拧紧中，当使用角度控制法时，必须注意，扭矩分配中，是有一部分消耗在自身扭转变形上的。而这一部分对拧紧角度的影响较大。如果一个螺栓的刚度较好，那么在自扭转上消耗的扭矩就少，角度控制最终的影响就小。而如果刚度差，则最终需要更大的扭转角来达到预定的伸长量。

fmdd

螺杆光杆部分的结构尺寸是否相同？截面尺寸直接影响螺栓的柔度，缩颈细杆螺栓比常规螺栓伸长量大得多。

普通碳钢、合金钢的杨氏模量E差异很小，不到5%。

拧紧扭矩的变化影响最大的是摩擦系数，包括螺旋旋合部分的摩擦和螺栓头支撑面的摩擦。

拧紧力矩的90%都消耗在摩擦上了，只有10%的转换成了螺栓的弹性伸长。

也就是说拧紧力矩只有10%转换成了结合面的压紧力。