發動機連桿的螺栓裝配設備與工藝

鄭黎明

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

連桿是發動機的重要承力零件。當發動機工作時，活塞往復的運動通過連桿轉換為曲軸的轉動，連桿時刻承受著交變載荷，因此連桿質量直接關系到發動機的安全性能［1］。連桿在結構上包括大頭端和小頭端，大頭端連接在曲軸上，小頭端連接在活塞上。大頭端被剖分為連桿蓋和連桿體兩部分，經螺栓連接使桿端和體端嚙合，最終連桿的大頭端才能夠被裝配到曲軸上。連桿工作時，螺栓承受了大部分載荷，一般情況下需對連桿的軸向預緊力進行嚴格控制，這對螺栓材料和螺栓加工工藝提出了很高的要求［2］。連桿螺栓通常選用扭矩/轉角法進行裝配［3-4］，因此發動機連桿的螺栓裝配工藝對于連桿質量控制具有重要的意義。連桿螺栓自動裝配設備是控制裝配質量的關鍵，本文開發連桿螺栓專用裝配設備，并針對某α 型轎車連桿，根據該連桿螺栓的具體裝配要求，利用該裝備對螺栓裝配工藝進行研究。

1 連桿螺栓專用裝配設備

螺栓專用設備在機械結構上可以分為螺栓自動上料系統和定扭矩擰緊系統兩部分，具體功能包括螺栓自動上料、裝配和定扭矩擰緊。本設備由底座、連桿定位機構、螺栓翻轉與導向機構、定扭矩扳手進給機構、螺栓自動分離機構、螺栓輸送管等構成，結構如圖1 所示。

螺栓振動上料系統又包括振動料斗、輸料軌道、螺栓分離機構。振動料斗和輸料軌道均利用磁致振動的原理，將螺栓依次排序，并輸送至分離機構。分離機構利用分離塊將2 個螺栓分別送入2 根輸料管內。振動上料系統與定扭矩擰緊系統通過輸料管相連。定扭矩系統完成螺栓裝配和擰緊任務。由輸料管送來的螺栓被翻轉一定角度，經導向機構送入連桿大頭端的螺栓孔內，定扭矩扳手送進，并按照規劃裝配工藝完成螺栓裝配。

螺栓裝配設備選用德國博世SYSTEM300 型擰緊系統，扳手扭矩工作范圍在20～90 N·m。該擰緊系統由擰緊軸、控制單元和工控機組成。

圖1 螺栓初擰緊工位結構

2 螺栓裝配工藝要求

圖2 α 型連桿照片

α 型連桿為轎車連桿，它選用C70S6 材料的整體鍛造毛坯，然后采用裂解加工方法，完成連桿蓋與連桿體的分離，通過螺栓完成桿與體的嚙合。嚙合面將限制連桿蓋與連桿體的相對位置，連桿工作時，螺栓只承受拉應力，不承受剪應力。α 型連桿結構如圖2 所示，整體重量為349±15 g。螺栓信息如下：規格為M8×0.75，原始長度為47 mm，材料為SCM435。螺栓裝配分為一次裝配和二次裝配，一次裝配要求在彈性區域內夾緊，主要完成連桿大頭孔斷裂面的整理任務；二次裝配要求在可塑區間內夾緊，要求軸向預緊力穩定在30 380±980 N。

螺栓的軸向預緊力僅與螺栓的軸向伸長量有關［5-6］，在彈性區間內夾緊時，卸載后的軸向伸長為零，在可塑區域內夾緊時，卸載后的軸向伸長量為正。螺栓生產廠家對螺栓進行了特定的物理拉伸試驗，該試驗結果表明，卸載后的螺栓伸長量在0.14～0.17 mm 范圍內時，能夠保證螺栓二次裝配的軸向預緊力滿足要求。

3 螺栓裝配試驗

連桿螺栓在其裝配過程中只允許發生兩次塑性變形，分別是連桿制造過程預裝配和連桿在發動機上的終裝配。在連桿制造過程的預裝配又包括一次裝配和二次裝配，本文在自主開發的專用連桿螺栓裝配設備（見圖3）上進行螺栓一次裝配和二次裝配試驗。

圖3 連桿螺栓裝配設備

3.1 一次裝配試驗

選取若干連桿，利用圖3 所示設備，采用扭矩/轉角法進行一次裝配，參數為20 N·m+25°。任取其中3 支連桿，將螺栓卸載后，采用千分尺測量6 只螺栓的軸向伸長量，結果如表1 所示。由表1 可知，在一次螺栓裝配過程中，螺栓基本未發生塑性變形，仍處于彈性變形階段。所有螺栓伸長變形均由彈性變形提供，這符合螺栓初擰緊工序的加工要求。

3.2 二次裝配試驗

選取若干連桿，利用圖3 所示設備，采用扭矩/轉角法進行二次裝配，參數為20 N·m+95°。任取其中5 支連桿，將螺栓卸載后，采用千分尺測量10 只螺栓的軸向伸長量，結果如表2 所示，可知最大的螺栓伸長量為0.17 mm，最小的螺栓伸長量為0.14 mm，全部螺栓伸長量均在0.14～0.17 mm 范圍內。螺栓的平均變形量為0.16 mm，平均變形量在0.14～0.17mm 范圍內，能保證螺栓軸向力的要求。

調取設備記錄的扭矩轉角關系監測曲線，如圖4所示。當扳手開始擰緊時，螺栓頭部扭矩基本保持在4 N·m，此時表現為摩擦扭矩。繼續加載后，扭矩值緩慢升高，當扭矩達到20 N·m 時，設備停止加載。在此基礎上，扳手開始施加轉角載荷，帶動螺栓轉過工藝規定的95°。當螺栓轉角為50°時，檢測到的扭矩值與螺栓轉過角度不再呈線性關系，說明螺栓此時開始發生塑性變形，此時螺栓達到屈服點。當轉角為95°時，螺栓已超過屈服點，螺栓伸長變形包含彈性變形和部分塑性變形，因此螺栓軸向力夾緊方式為可塑區域內夾緊。從扭矩監測數據可知，螺栓頭部施加的扭矩值在37～44 N·m 范圍內。

表2 二次裝配的螺栓伸長量 mm

圖4 扭矩轉角檢測曲線

4 結語

針對某型轎車發動機連桿的螺栓裝配的軸向力要求，確定了螺栓的軸向伸長量，采用扭矩轉角法，利用自主開發設備經行了該連桿的螺栓裝配試驗，確定了一次擰緊的工藝參數為20 N·m+25°，二次裝配的擰緊工藝參數為20 N·m+95°，在以上工藝參數下，能夠滿足該型連桿螺栓裝配的具體工藝要求。

［1］何元章，夏國祥，王文建，等.某發動機連桿斷裂原因分析的研究［J］.內燃機與配件，2012（2）：23-25，29.

［2］劉家滿，王書慶，郭洪山，等.C70S6 脹斷連桿擠壓螺紋質量的檢測評價參數［J］.物理測試，2013，31（3）：22-24.

［3］朱正德，林湖.基于螺栓裝配技術中扭矩法與扭矩/轉角法比較與應用研究［J］.柴油機設計與制造，2005，14（2）：96-99.

［4］初泰安.螺栓擰緊方法及預緊力控制［J］.化工設備與管道，2005，42（3）：8-10.

［5］趙立海，來慶秀.汽輪機汽缸中分面螺栓伸長量測量方法及應用［J］.汽輪機技術，2009，51（3）：239-240.

［6］楊明富.用伸長測量法確定活塞空壓機連桿螺栓預緊力［J］.有色設備，2004（1）：8-11.