發動機氣缸蓋螺栓擰緊方式研究

程瑞　鄒開鳳　姚本軍　胡新生

摘要： 本文通過試驗圖表的形式比較分析了兩種發動機氣缸蓋螺栓的擰緊方式對氣缸蓋壓緊力的影響，得出結論最佳的擰緊方式是采用角度擰緊法并將氣缸蓋螺栓擰緊至其本身的屈服強度。

Abstract： This paper compares and analyzes the influence of the tightening methods of two kinds of the engine cylinder cover bolt on pressing force of the cylinder cover. The conclusion is that the best tightening method is to use angle tightening method and tighten the cylinder head bolt to its yield strength.

關鍵詞： 氣缸蓋螺栓；力矩擰緊法；角度擰緊法；屈服強度擰緊法

Key words： cylinder cover bolt；torque tightening method；angle tightening method；yield strength tightening method

中圖分類號：TK24 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0120-02

0 引言

發動機在工作時，氣缸內的燃料燃燒會產生很大的壓力，氣缸蓋會承受非常大的作用力，因而需要用螺栓把氣氣缸蓋緊緊地固定在機體上。傳統上國內一直采用分步擰緊的方法來緊固發動機氣缸蓋，以其擰緊力矩是否達到要求作為標準。這種擰緊方法稱為力矩擰緊法。但使用力矩擰緊法裝配氣氣缸蓋有一定的局限性，那就是面對同一臺發動機的不同氣缸蓋螺拴，即使使用相同的擰緊力矩，氣缸蓋面臨的壓緊力也會有所不同，并且采用該方法很難得到最大的壓緊力。所以在國外該方法已經基本上不被采用了，國外當前采用最多的方法是屈服點控制擰緊法和角度擰緊法。下面對這三種擰緊方法進行理論分析和比較。

1 理論分析

對氣缸蓋螺拴而言，它主要承受軸線上氣缸內高壓氣體的沖擊拉力。對氣缸蓋螺栓的擰緊方法主要有三種：①力矩擰緊法。將氣缸蓋螺栓擰緊到規定數值的力矩時，即符合壓緊標準。②屈服點控制擰緊法。該方法是靠螺栓擰緊來壓緊工件，但需要將螺栓擰緊至其屈服極限區域。③角度擰緊法。依照一定的角度將氣缸蓋螺栓緊固，使其符合壓緊標準。

當前我國比較常用的方法是力矩擰緊法，下面分別對這三種方法進行分析和比較。

1.1 力矩擰緊法

理論上影響力矩擰緊法壓緊力的因素主要有：氣缸蓋螺拴本身材料的屈服強度、螺栓螺紋與氣缸體的摩擦、氣缸蓋螺栓與氣缸蓋間的螺栓頭部的摩擦等三個因素。還包括擰緊氣缸蓋時擰緊力矩因人為的因素和工具本身的誤差而產生的誤差。實踐表明，在裝配氣缸蓋時的擰緊力矩相當一部分用于克服螺紋和機件所產生的摩擦，只有一小部分被轉換為有效螺栓拉力。螺栓的摩擦系數對壓緊力有很大的影響。對同一臺發動機的氣缸蓋螺栓來說，其擰緊力矩與軸向壓緊力的關系曲線如圖1所示。

同一種螺栓其摩擦系數也存在差別，在螺栓允許安裝的最大拉力范圍內，即使一個較小擰緊力矩誤差也可能會造成很大的危害。對于同一臺發動機而言，其不僅面臨擰緊力矩誤差，還同時存在摩擦系數誤差，在兩項誤差的共同作用下每個氣缸蓋螺栓的軸向壓緊力的最大可達到圖示中的△MA。由此可見，在操作中由于種種因素就會使擰緊力矩誤差放大許多倍。隨著誤差的不斷加大，后果不堪設想。所以，近年來國外基本上不采用力矩擰緊法進行裝配。

1.2 角度擰緊法

如果采用角度擰緊法對氣缸蓋螺栓進行擰緊時，擰緊轉角與軸向壓緊力的關系曲線，如圖2所示，R0.2是螺栓材料的0.2%屈服強度點，A點為初始力矩點，該曲線分三部分。在角度擰緊法中，擰緊步驟分兩步，即初始擰緊扭矩+擰緊角度。

從圖2可以看出，采用角度擰緊法，影響壓緊力的因素有擰緊角度誤差、氣缸蓋螺栓的屈服強度、螺栓與工件的摩擦力等三個。我們擰緊氣缸蓋時，氣缸蓋螺栓的轉角是測量和控制的對象，無關于對螺栓的扭矩。而在三點影響因素中，摩擦僅產生的影響微乎其微。所以該方法與力矩擰緊法相比，少了一個對壓緊力產生誤差的影響因素，因而氣缸蓋各個螺栓的壓緊力就相對比較均衡。由于氣缸蓋螺栓處于遠離其屈服強度的區域，因而不用考慮螺栓的屈服強度的影響。由圖2所示，在采用角度擰緊法時，當螺栓受力在點A到點R0.2區間時，由螺栓擰緊轉角的誤差△θA，所引起的軸向壓緊力誤差△FM相對于力矩法小得多。

1.3 屈服點控制擰緊法

盡管對于氣缸蓋的壓緊力，角度擰緊法相對于力矩擰緊法更易于控制，但是，從圖2中我們可以看出，在點R0.2的左右兩邊，由同樣大小的轉角誤差△θA所引起的壓緊力誤差△FM在點R0.2的左邊就比右邊要大很多。因此，在擰緊氣缸蓋螺栓時，為了減小轉角誤差△θA對氣缸蓋壓緊力△FM的影響，需使氣缸蓋螺栓擰緊到接近其屈服強度，即擰緊角度θA必須大于其0.2%屈服強度點所對應的擰緊轉角θ0.2，保證各氣缸蓋螺栓的壓緊力均衡，這就是屈服點控制擰緊法。

采用屈服點控制擰緊法就要使氣缸蓋螺栓在其屈服強度處工作，需滿足以下要求：①保證氣缸蓋螺栓的質量。由于該方法要求將螺栓擰緊到接近屈服極限，這無疑對氣缸蓋螺栓的質量提出了很高的要求，只有保證氣缸蓋螺栓的質量符合要求，屈服點控制擰緊法才能真正發揮優勢。②氣缸蓋螺栓只能使用一次。③對于不同的發動機，由于影響因素較多，設計氣缸蓋螺栓時，必須經過試驗來決定材料及大小等。④必須用試驗確定螺栓的初始扭矩與螺栓轉角。

2 對比分析

在進行螺栓擰緊氣缸蓋時，如果擰緊力矩達到了螺栓的屈服強度但不失效的程度，這種狀況下的氣缸蓋壓緊力與力矩擰緊法相比具有什么優點呢？對此，我們對強度為10.9級的M16-1.5的螺栓進行了兩種擰緊方法的比較分析試驗。如圖3所示的曲線圖為試驗對幾個同種的試驗螺栓分別用兩種方法進行擰緊，其中一種扭矩大于其0.2%的屈服強度，另一種扭矩則小于該值。

分析圖3可知，由于受到氣缸蓋螺拴本身材料的屈服強度、螺栓螺紋與氣缸體的摩擦、氣缸蓋螺栓與氣缸蓋間的螺栓頭部的摩擦等三個因素的影響。在將同種螺栓擰緊到不同的程度時，對氣缸蓋壓緊力所產生的誤差也有極大的差別。在本試驗中，材料的RP0.2=940～1100螺栓與氣缸蓋的摩擦系數？滋=0.10～0.14（包括螺紋摩擦系數？滋G和螺栓頭部摩擦系數？滋K）在擰緊力矩未達到其屈服極限時，試驗中測量其數值約為200N·m，當擰緊力矩在該數值±8%左右變化時，引起的氣缸蓋壓緊力的在79～123kN范圍變化，變化幅度達到±23%。當繼續加大擰緊力矩大于螺栓材料的0.2%屈服強度（不失效），當擰緊力矩變化范圍達到±19%時，氣缸蓋壓緊力范圍僅在135～168kN，誤差范圍僅為±11%。

3 結論

通過上面的理論及試驗分析，很顯然，發動機氣缸蓋螺栓的擰緊方式對發動機氣缸蓋壓緊力有很大的影響。采用角度擰緊法比采用扭矩法能得到更加均勻的氣缸蓋壓緊力。最佳的擰緊方式是采用角度擰緊法并將氣缸蓋螺栓擰緊至其本身的屈服強度得到更為均衡的氣缸蓋壓緊力。為此，必須提高氣缸蓋螺栓的質量，并且用試驗確定氣缸蓋螺栓的設計、擰緊過程中的擰緊轉角和初始扭矩。

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