某發動機連桿螺栓動態扭矩下限值的研究

牛自強，王小娟，張 嬌

（上汽通用五菱汽車股份有限公司發動機制造工程科，廣西 柳州545007）

螺紋緊固件幾乎在所有的機械設備上使用，因此螺紋聯接技術是確保機械系統可靠性的根本。發動機關鍵螺栓采用的均是扭矩+轉角控制—扭矩監控，如主軸承蓋螺栓、連桿螺栓、缸蓋缸體連接螺栓、飛輪螺栓。擰緊螺栓的力的大小通常是由緊固扭矩表示的，然而，對螺紋聯接而言最重要的不是緊固扭矩，而是螺栓的軸向夾緊力，如圖1所示[1]，但批量生產中無法進行實時對夾緊力進行監控，因此需要對動態扭矩的終值進行合理的設置，才能保證產品質量和FTQ.連桿螺栓的動態扭矩下限值需要在保證零件的夾緊力的要求又要保證生產當工序的FTQ，因此其設置的合理性至關重要。

圖1 零件夾緊力/扭矩受力圖

1 連桿螺栓擰緊工藝

1.1 擰緊工具

某發動機連桿螺栓采用自動擰緊設備擰緊，如圖2，設備有4根擰緊軸自動分兩次擰緊8顆連桿螺栓，第一次擰緊4顆螺栓（如圖2：#3—#6號螺栓），第二次擰緊4顆螺栓（如圖2：#1#2#7#8號螺栓）。

圖2 連桿螺栓擰緊順序

1.2 擰緊策略

連桿螺栓屬于扭矩+角度控制法，工藝要求20 N·m+（90°±4°），根據以往機型經驗，最終扭矩設置為38-60 N·m，公司采用Atlas擰緊工具，具體擰緊程序如表1所列，以Stp5為例，說明程序步驟的含義，該步驟以10 rpm擰緊90°；擰緊過程中最大限制扭矩不能超過65 N·m，時間不能超過5 s；擰緊結束檢查的峰值扭矩（擰緊過程最大扭矩）監控范圍38～ 60 N·m，角度監控范圍 86°～ 94°，關段扭矩（擰緊過程停止時的扭力）監控范圍38～60 N·m.

表1 連桿螺栓擰緊程序

1.3 擰緊曲線

連桿螺栓擰緊曲線如圖3所示，從擰緊曲線可以看出，當螺栓在達到20 N·m時，螺栓開始計算角度，擰緊90°且角度范圍需在86～94°時，擰緊機在擰緊結束后，螺栓扭矩需達到38～60 N·m的范圍內，此范圍可以對螺栓扭矩進行實時監控。

圖3 連桿螺栓角度-扭矩曲線

2 生產問題

某發動機連續4個月生產數據如圖4所示，共計38 000臺，其中小于38 N·m有1 520臺，占比96%，距離目標（99%）差距較大，對裝配線的運行效率、節拍提升及產能輸出影響較大，團隊根據七鉆分析法，對生產線一系列問題進行分析，前四鉆均未發現異常。進行第五鉆的工藝過程分析，需對螺栓的動態扭矩范圍值進行重新計算。目前車間現場實時監控的是終扭矩T，但需保證零件的軸向力F合格，因此需對終扭矩T進行重新計算。如圖4所示。

3 連桿螺栓動態扭矩上下限計算

3.1 扭矩T上下限的理論計算

連桿螺栓信息：M8×1×45，10.9 級，相關參數如下：螺栓大徑d=8；螺栓中徑d2=7.35；支撐面直徑dw=14；螺紋通孔直徑dh=9.4；螺距 P=1；螺紋摩擦系數 μ =0.09～0.12；夾緊力 F=31～43 kN（根據圖紙要求）。

支撐面的摩擦扭矩直徑：

扭矩系數：

扭矩值：

根據計算結果動態扭矩上下限值為34～60 N·m

3.2 夾緊力測試

對連桿螺栓進行夾緊力測試，測量24顆連桿螺栓結果如表2所示，其夾緊力均符合31～43 kN要求。軸向力隨著擰緊時間的變化，如圖5所示，其夾緊力在32.5 kN之前均隨著時間呈線性變化，在t=475 s時，螺栓才擰緊屈服斷裂，而目前連桿正常擰緊過程僅為4.5 s，因此可以保證螺栓在滿足相應的夾緊力的條件下不會斷裂失效，螺栓夾緊力和扭矩的關系如圖6所示，從圖中可以看出扭矩在34 N·m時，軸向夾緊力為37 kN，符合產品要求。

表2 夾緊力試驗數據

圖5 時間-扭矩變化曲線

圖6 螺栓T-F-μ關系

4 驗證

跟蹤驗證2個月的生產數據，如圖7所示，共計118臺不合格，其中36～38 N·m有108顆，占比93%，因此將動態扭矩上下限值由38 N·m調整為36 N·m可以解決批量生產中的FTQ問題。

圖7 生產不合格數據