發動機主軸承蓋螺栓動態扭矩上限值的研究

蔡欣，劉鑫，高超浪，石江磊

（上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司發動機制造工程科，重慶401133）

發動機主軸承蓋螺栓動態扭矩上限值的研究

蔡欣，劉鑫，高超浪，石江磊

（上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司發動機制造工程科，重慶401133）

螺紋聯接是發動機裝配過程中廣泛采用的一種方法，為了確保裝配質量，必須對螺紋聯接的擰緊工藝予以嚴格監控，一旦螺紋失效，尤其是發動機關鍵螺栓，如缸體缸蓋連接螺栓、連桿螺栓、主軸承蓋螺栓達到屈服極限而發生螺紋斷裂等問題，將造成嚴重的后果。通過對主軸承蓋螺栓工藝分析，基于機械設計螺栓屈服極限計算。為實際生產過程中主軸承蓋螺栓動態扭矩上限值的設置提供了參考

主軸承蓋螺栓；動態扭矩；屈服極限值

1 主軸承蓋螺栓擰緊工藝

1.1 擰緊工具

某公司發動機主軸承蓋螺栓采用自動擰緊設備進行擰緊（如圖1），6根擰緊軸自動分2次擰緊10顆主軸承蓋螺栓，第一次擰緊6顆螺栓（如圖2：#1-#6號螺栓），第二次擰緊4顆螺栓（如圖2：#6-#10號螺栓）

圖1 主軸承蓋螺栓自動擰緊設備

圖2 主軸承蓋螺栓擰緊順序

1.2 擰緊策略

主軸承蓋螺栓屬于扭矩+角度控制法，工藝要求30 N·m+30°±4°，根據之前機型經驗，最終扭矩范圍設置為50~80 N·m，公司采用atlas擰緊工具，具體擰緊程序設置如下：

以步驟6為例，說明程序步驟的含義。步驟6以5 r/min的轉速擰緊至30°，擰緊結束檢查的角度監控范圍為26~34°，扭矩監控范圍為18~22 N·m.見表1.

表1 主軸承蓋螺栓擰緊程序

1.3 擰緊曲線

主軸承蓋螺栓擰緊曲線如圖3所示。

圖3 主軸承蓋螺栓擰緊曲線

1.4 生產問題

實際生產過程中，主軸承蓋螺栓最終扭矩值出現波動，每天約有10%發動機出現終扭矩超80 N·M（見圖4、5），嚴重影響發動機裝配線產能輸出。生產線針對問題原因進行一系列調查，未發現異常，根據螺栓屈服極限對動態扭矩上限值進行重新計算。

圖4 主軸承蓋螺栓擰緊數據

圖5 每天主軸承蓋螺栓超80 N·m數量統計

2 主軸承蓋螺栓屈服極限計算

2.1 主軸承蓋螺栓受力分析

螺栓需要得到的是夾緊力F，受力分析見圖7，實際生產過程中施加給螺栓的是扭矩T（如圖6所示），T=F×L，由于夾緊力不便于監控和測量，在實際生產過程中，進行監控的是扭矩。螺栓擰緊5-4-1原則：施加的扭矩T，50%克服螺栓頭下的摩擦力，40%克服螺紋副中的摩擦力，10%用來轉換為夾緊力[1]（如圖8所示）。

圖6 扭矩T

圖7 螺栓受力分析

圖8 螺栓擰緊扭矩5-4-1原則

2.2 主軸承蓋螺栓屈服極限計算

主軸承蓋螺栓信息：M10×1.25（10.9級），螺栓示意圖見圖9，扭矩屈服示意圖見圖10，公稱直徑為10 mm，螺距為1.25 mm，屈服應力：δ＝971 N·mm-2（根據圖紙信息）

圖9 螺栓參數示意圖

圖10 螺栓扭矩屈服示意圖

螺栓小徑d1=d-1.25×P＝10 mm-1.25 ×1.25=8.435 7 mm

預緊力：F=δ×A=971 N/mm2×55.88 mm2=54 259 N

扭矩：T=K×F×d=0.18×54259 N×10 mm ×10-3≈97.7 N·m[2]

根據表2，主軸承蓋表面屬于無潤滑的一般加工表面，擰緊力矩系數K取0.18，d1為螺栓小徑；d為螺栓公稱直徑；P為螺距；A為橫截面積；F為預緊力；δ為屈服強度；K為擰緊力矩系數；T為擰緊力矩。

表2 擰緊力矩系數K

最終計算動態扭矩理論上限值為97.7 N·m，根據計算結果，可將最終動態扭矩上限由80調整至90N·m，解決生產過程中扭矩超上限問題。

3 驗證

根據實際生產，將扭矩超過80 N·m的主軸承蓋螺栓數據進行統計，統計結果見表3：小于85 N·m的數據占92.5%.

表3 超過80 N·m主軸承蓋螺栓扭矩分布

可見，根據機械設計計算結果和實際生產數據，主軸承蓋螺栓終扭矩設置為85 N·m可以解決生產過程中出現的扭矩超上限問題。

[1]張新俊，安源.針對單軸電槍擰緊多螺栓工位扭矩衰減的控制[J].裝備制造技術，2015（06）：143-145.

[2]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004：4-61.

To Explore the Yield Limt of Main Bearing Cap Bolt

CAI Xin，LIU Xin，GAO Chao-lang，SHI Jiang-lei
（Power Train Manufacturing Engineering Section，SAIC GM Wuling automobile Co.，Ltd.，Chongqing 401133，China）

Thread connection is widely used in the engine assembly process as a method.The process of the screw connection must be strictly monitored in order to ensure the quality of assembly.Once the thread failure，especially critical engine bolts，such as cylinder head bolts，connecting rod bolt，main bearing cap bolts reach the yield limit will cause thread breakage and other issues，which will have serious consequences.This article through the main bearing cap bolts process analysis，based on yield limit calculations root in the mechanical design，provides a reference for the main bearing cap bolts dynamic torque limit setting in the actual production process.

main bearing cover bolt；dynamic torque；yield limit value

U464.22

A

1672-545X（2017）06-0174-02

2017-03-12

蔡欣（1990－），女，湖北人，工程師，大學本科，研究方向：發動機裝配及擰緊工藝。