——↑汽車變速箱↑——顯然，汽車變速箱充滿了讓人歎為觀止的各種因素，複雜、精密，嚴絲合縫，充滿了機械之美。但是，我一瞬間又忽然想到了無級變速箱：
——↑無級變速箱（模型）↑——雖然依舊精密而閃亮（大概是因為模型的原因），但是相比變速箱卻簡單了很多，甚至於有些無級變速箱可以稱得上是單調。
——↑單調的無級變速箱↑——對比著兩種不同的機械，無意之中我忽然想起來我一位在汽車行業工作的親戚跟我說起過的話：汽車裡最難設計的是你最常見的汽車，那些高階跑車用著不計成本的方法冶煉生產裝配維護，設計這樣的車對設計師而言反而是容易的。但是對那些註定要生產無數輛的汽車，你要絞盡腦汁去簡化結構、增加可靠性、可維護性，直到你可以用最低的成本造出最可靠的汽車。
再次回顧題目：“深入了解後能讓人歎為觀止的機械產品”，顯然汽車的變速箱是屬於一眼就讓人歎為觀止的機械產品，無級變速箱看似結構更加單調，遠不如變速箱那樣讓人一眼就覺得驚為天人，但是當人們去仔細了解無級變速箱的發展歷史以及曾經攻破的技術難關，人們一定會認識到，這樣的機械產品其實凝聚了工程技術人員太多的心血，而從有級到無級，化繁為簡，雖然沒有能夠奪人眼球，但是意義卻十分重大，正所謂大巧不工是也。
所以我決定，不去講汽車變速箱（其實我也不太懂，嗯……），而是從我自己的專業角度出發，去說一樣你們雖然習以為常，但實際上卻擁有讓你歎為觀止的背後故事的機械產品：
——↑螺栓↑——對了，就是螺栓。
你以為這個時候我要說：“你們還是另請高明吧，我一個搞航空發動機的，怎麼來說螺栓了？”
但是實際上我卻反要問你：航空發動機裡的螺栓跟上圖的螺栓有什麼本質區別嗎？
知道你不一定答得上來，我明確告訴你，除了精密螺栓之外，航空發動機中的螺栓與上圖的螺栓沒有什麼本質區別。從功用上說，螺栓就是把兩個帶孔的零件壓緊在一起的一種裝配用零件。
我首先要強調的是：螺栓的結構簡單，帶螺栓的連線結構也同樣簡單，無非就是螺栓孔，螺栓，螺母這些東西。
這麼說吧，即便是最高階的航空發動機上，理論上給你一把測力扳手——甚至於你可以隨便去五金商店買一把，告訴你怎麼擰，你也可以完成螺栓的裝配，並且日後航發上天的時候，一點問題都不會有，整個裝配的過程不需要多麼複雜的儀器和豐富的經驗。
那你又要問了：“這麼簡單我還歎為觀止個蛋蛋？”又輪到我反問了：“坐過公車沒有？是否有過公車一經過減速帶，車裡的各種廣告牌噼裡啪啦響成一團的情況？”
再請問：“你的單車（普通單車）是否隔三差五就要去緊緊螺絲，不然只怕是單車越騎越散？”
其實上述情況是螺栓最常遇到的情況：鬆動。因為螺栓螺母畢竟不是焊接在一塊兒，兩個板子用螺栓擰在一塊，你總是掰來掰去、晃來晃去，時間長了，螺母逐漸鬆開來了。
而且要知道，公車的震動最大能有多大？工作環境再惡劣能有多惡劣？航空發動機呢？
汽車廣告牌鬆了，不過是隨便震震，航空發動機掉下來一顆螺栓，估計就要死人了。
當然，學過一點兒機械設計的人應該知道，不就是螺栓脫落嗎？螺栓防脫落的方式有的是，簡單的彈簧墊片、雙層螺母、自鎖墊圈，複雜一點兒的止動墊圈、粘結，實在不行就焊成一塊兒，這總不會掉了吧。
——↑螺栓自鎖墊圈↑——確實，以上的說法沒有錯，而知道這樣的措施的人也在無意中明白了機械設計的第一層境界：功能設計 ，也就是用各種方法保證機械結構可以實現一個功能，並且在結構執行的過程中保證其完整性，不會掉個零件什麼的。（上述說法不太嚴密，就當我隨便說說的啦）
好了，這下似乎是行了，加上自鎖墊圈，彈簧墊片（發動機裡還經常用止動墊圈），圍觀的小王同學表示他乾脆就把螺栓跟螺母之間焊死了，這下螺栓應該沒有問題了吧。
那我就又要發問了：“你是否斷過鞋帶？”
雖然你表示這什麼破問題，斷鞋帶和螺栓有什麼關係？但是你仔細一想，好像你確實斷過鞋帶——就算自己沒斷過，可能看到別人斷過。我們導師沒事兒提到過，人類最偉大的發明之一可能是鞋帶。因為這是一種有效的連線結構。我一想，這說得有道理，鞋帶確實是實現了很多你原先用單一的一個物體做不到的事情，比如說買20輛夏利用鞋帶綁好了，開起來跟火車一樣（郭德綱語）。
而“斷鞋帶”的意思就是，螺栓作為連線結構一部分，是要受力的，所以如果受力過大，螺栓是有可能斷的——而且就算不斷，螺栓擰的太緊，螺紋也是會變形的。
所以螺栓能不能用，用多大的螺栓——是用如下圖這麼大的螺栓，還是用小一點的尺寸，這些跟螺栓的直徑、材料、工作環境有關，是要通過計算分析才能決定的。
而如果你知道螺栓的強度校核，那你已經知道了機械設計的第二層境界：力學設計。這層境界，你要考慮結構受力的大小，對結構進行受力分析，再根據結構的材料，確定結構會不會斷裂。這又叫靜強度設計，一般採取的原則是裕度設計，就是計算出來螺栓預計要承受1噸的拉力，那你找個承受300噸拉力都不會斷的螺栓肯定是沒問題的——當然，就是有點兒二而已，一般來說工程上會取一個係數，比如說1.5，也就是用一枚可以承受1.5噸的力的螺栓就能夠保證這顆螺栓不會斷，而如果希望結構更加可靠一些，係數取2，2.5，等等。
好了，這麼看來螺栓結構也不過如此，畢竟一個大學一二年級的工科學生就會學到類似的強度校核方法和設計方法。但是實際上，事情才剛剛開始……
首先，兩個板子通過一個或者幾個螺栓經過校核後連在一起，螺栓不會掉，也不會斷，也不會發生不可恢復的塑性變形，你去用力的、不斷的、連續的、粗魯的將看起來連在一起的板子動來動去，扭來扭去，一段時間之後，請問你看到了什麼？
正確答案：“一個精神有問題的虐板狂人。”
補充答案：“板子居然鬆了！”
我們不去管精神病的問題，就說板子鬆了事情，這個時候就有點兒費解了，螺母動了嗎？確實不會動，不相信你可以焊死；螺栓斷了嗎？塑性變形了嗎？也沒有，畢竟螺栓受到的拉力經過校核，不可能讓螺栓斷裂或者塑性變形。那是怎麼回事？
這個時候我們把螺栓擰開，把板子放到燈光下一看（請配音：嚯~~~~~~~~！）：
——↑接觸表面的磨損↑——發生這樣的情況，並不是因為虐板狂人有多麼大的威力，而是因為螺栓連線看似穩定，但是實際上接觸面之間還是會有些區域在外力作用下發生微小的相對位移，而金屬之間磨來磨去的，鐵杵都能磨成針，何況小小鋼板乎？板子磨得越來越薄，當然就鬆了。
這種現象，在工程裡叫做微動磨損，微動是說的連線介面動來動去的幅度非常小，你肉眼幾乎不會觀察到，磨損就是說的材料的磨損。一般來說正常的螺栓，比如說一個櫃子的螺栓，沒事兒沒有人去總是動來動去，所以即便螺栓接觸面會有磨損，但是磨損的速度很慢，有限的壽命內你看不到鬆動。
但是如果磨損的速度非常快呢？就不說航空發動機裡、轉子轉起來速度得有一兩萬轉每分鐘，就說汽車上的螺栓吧，路上零零散散的小石子讓汽車顛來顛去，這樣的振動頻率也不低，你就想螺栓連線的板子你用一分鐘好幾千下的速度扭來扭去，這板子吃得消嗎？
於是你靈機一動：“如果拼命地擰螺栓，讓接觸面近乎是黏在一起，那不就不會磨損了嗎？”
恭喜你，答對了。接觸介面由於你的壓緊力非常大，其接觸會進入粘滯狀態，這種狀態下可以認為接觸介面即便是微小的相對位移也沒有。
所以問題解決了嗎？
好的，兩個板子通過一個或者幾個螺栓經過校核後用力擰緊在一起，螺栓不會掉，也不會斷，也不會發生不可恢復的塑性變形，接觸面哪怕是一丁點兒微小的相對滑移都沒有，你去用力的、不斷的、連續的、粗魯的將看起來連在一起的板子動來動去，扭來扭去，一段時間之後，請問你看到了什麼？
你說：“精神有問題的虐板狂人？”
嗯，差不多，但是更關鍵的是，你看到了（請配音：嚯~~~~~~~！）：
——↑疲勞裂紋↑——對的，你把螺栓擰的那麼死，那麼用力，那麼不溫柔，時間長了，螺栓接觸面當然得出裂紋了。
有人就問了，裂紋是什麼東西？
其實裂紋就是裂紋，專業術語又叫疲勞裂紋，跟疲勞有關的裂紋。
說起來疲勞是個很有意思的事情。首先疲勞是什麼意思？人的疲勞是指人還醒著，沒有睡著，但是已經想睡了，這麼磨蹭著磨蹭著，人遲早得睡著，但是什麼時候睡著？說不準，反正得睡著。
機械的疲勞就是零件沒斷，但是時間長了得斷，什麼時候斷？不知道。有個分佈的概率，只能說一段時間以後零件壞的概率有多大。就好像一根鐵絲你彎了一下，沒斷，兩下，沒斷，上述現象說明鐵絲中的應力還不足以使鐵絲斷裂，所以這根鐵絲就安全了？並沒有，多彎幾次就斷了。但是彎幾次？這個有個統計資料，也許20次，也許30次，也許40次，但是大部分情況下是30次。
所以我們終於引出來機械設計的第三層境界：可靠性設計。
可靠性設計這個事兒，各個行業有各個行業的定義，但是在我看來，與功能設計、力學設計不同的地方就在於，這個時候考慮零件的壞是跟整體有關的，比如說，接觸面之間磨一磨就鬆了，但是多長時間會鬆？這個跟你摩擦的滑移距離和壓緊力，還有摩擦的頻率有關，這就要考慮這個螺栓在機械結構中具體的環境了。如果是在發動機的轉子上，好的，大概知道是個什麼環境了，摩擦的頻率是轉速；如果是在機匣上，又是另外一個工作環境，另外的摩擦頻率。
那麼可靠性設計的依據是哪兒來的呢？這個就要靠大量的試驗了。同一個螺栓擰緊力，換個滑移距離試試，對壽命有多少影響？ 換換擰緊力呢？換換材料呢？所以可靠性設計是個費錢費力費時間的事情，是要靠積累的。而一般說工程經驗，經驗在哪兒？大概就在這裡。
好了，螺栓的故事就這麼結束了？遠沒有。所以我再問一個問題：“螺栓把兩個零件壓在一起，那零件壓在一起了嗎？”
你說這不是廢話麼，都壓在一起了，難道還能不壓在一起？
這個倒不是廢話，因為接觸介面是一整個面，整個面上，只是有一部分被壓在了一起，剩下的部分卻沒有。
——↑接觸面接觸狀態↑——可以看到螺栓壓緊的接觸面，實際接觸的區域只有虛線中的那一小部分，一個小圈兒而已。剩下的部分，屬於“好像壓緊了，但卻沒有壓緊，雖然沒有壓緊，但卻並沒有分開，即便沒有分開，但也不能說連在一起”的狀態，十分的複雜。
一般來說，如下圖所示的航空發動機法蘭螺栓連線結構，一圈無數個螺栓孔。之所以要打這麼多螺栓，一般不是因為強度問題，而是因為氣密性的問題。因為畢竟螺栓影響到的範圍就是那麼一點兒，必須要打螺栓孔打的比較密集，才能夠有良好的氣密性。
——↑航空發動機中的法蘭螺栓連線結構↑——
好了好了，現在螺栓的問題總算是解決了吧？還遠遠沒有，這才剛剛開始。
我再問一個問題：“螺栓把兩個零件擰在一起了，所以兩個零件就擰在一起了嗎？”
你說：“我特麼不會再回答了，你愛咋咋地吧。”
螺栓把兩個零件連在一起，跟兩個零件完全焊接在一起是不一樣的，因為螺栓不是把接觸面整個連在一起的，而只是一小部分割槽域，所以相對而言，用螺栓連線在一起的兩個零件容易產生變形一些，也就是說連線結構對元件的剛性是有影響的。為了評估連線結構對元件剛性的影響，得計算，得模擬，得試驗。
再接著，螺栓壓在一起的接觸面會摩擦，那麼對元件的阻尼特性也是有影響的，為了評估這個影響，得計算，得模擬，得試驗。
再接著，螺栓壓在一起的接觸面會磨損，那麼對元件的剛性和阻尼特性影響不是恆定的，那怎麼辦呢？得計算，得模擬，得試驗。
再接著，很多螺栓的情況下，各個螺栓好像不是擰的一樣緊的，那麼這會對元件有什麼影響？得計算，得模擬，得試驗。
再接著，螺栓擰緊的順序好像也會對元件的力學性質有影響，這怎麼辦？得計算，得模擬，得試驗。
……
……
……
所以，螺栓背後到底有多少可以說的呢？這麼說吧，我有一本國外關於螺栓連線結構的研究專著，不過才500多頁而已。這還只是機理研究，還沒有說螺栓連線結構對汽車的影響，對飛機的影響，對輪船的影響，對發動機的影響，對力學特性的影響，對動力特性的影響，對疲勞壽命的影響。而這裡面任何一個問題中的任何一個小問題的任何一個子問題的研究，就夠寫一本書的。
也就是說，為了擰好一顆螺栓，人們在各行各業、從各個角度各個方面，計算、模擬、試驗，把大把大把的心血、時間、金錢投入到了小小的螺栓之中，就是希望螺栓擰的好、擰的穩、擰的簡單、擰的瀟灑、擰的步步生風，擰的一日千里。
大概就是這樣。
想起來在多年前，有一種說法很流行——可能到現在也是經久不衰，那就是中國的工業輸在工藝上，連街頭炸油條的大叔都能眉飛色舞地說哪怕是生產線完全從國外移到中國，中國人裝配完了也跟外國原裝進口不一樣。然後又會彷彿大徹大悟地說，外國工業革命都幾百年了，肯定比我們經驗豐富一些，我們得慢慢積累。所以請問，“中國人怎麼裝配的？”
我自問自答吧，“擰螺栓裝配的。”
所以再請問，“那外國工業革命到現在幾百年了，都積累了些什麼？”
我實在也不是謙虛，就最後自問自答一下：
“特孃的擰螺栓呀！”
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