發動機裝配中摩擦力矩的測試方法

李秀海

發動機裝配中摩擦力矩的測試方法

李秀海

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

介紹了現代發動機裝配過程中使用的自動摩擦力矩檢測方法以及工作原理，通過該方法能夠在早期識別潛在的由于運動零件的尺寸偏差或者清潔度問題對發動機造成的損害，并及時進行返工，降低返工成本，提高勞動生產率和發動機質量。

摩擦力矩；發動機

前言

發動機的曲柄連桿機構是發動機工作過程中的重要運動部件，其尺寸精度、表面清潔度以及在裝配過程中產生并進入摩擦付的雜質對發動機的性能有非常大的影響，有時甚至可以導致整個發動機的完全報廢。因此在完成曲軸，連桿，活塞等運動部件的裝配后通過轉動曲軸來檢測這些零件的裝配質量，是一種比較有效的降低風險的方法。傳統的做法是依靠人工對曲軸進行旋轉，操作工根據手感或者通過外接一個扭矩表來實現這一功能，這種方法不僅效率低，而且可靠性也不高，無法滿足現代發動機生產中的高質量以及高速度的要求，為此一種高效且可靠的自動檢測轉動力矩的方法-摩擦力矩法應運而生。

1 工作原理

圖1 各個測量值對應的曲軸轉角范圍

如圖1所示（以4缸機為例），生產線在按照工藝規范完成曲軸，連桿，活塞等運動部件的裝配，此時第1缸和第4缸的活塞應位于上止點的位置，然后使用一臺集成了可測量曲軸轉角和扭矩的電機驅動曲軸旋轉3圈，分別記錄起始扭矩（測量值3），活塞最小換向扭矩（540度時的測量值4，2/3缸在上止點，1/4缸在下止點和720度時的測量值2，1/4缸在上止點，2/3缸在下止點），并計算平均扭矩（測量值 1），將上述4個數值與預先設定的限值進行自動對比，從而來判斷裝配是否符合要求。

如表1所示：

表1

2 各個測量值限值的確定

確定各個測量值的限值分為兩步：

第一步：收集數據

在發動機大批量生產以前，需要進行大量的摩擦力矩的測試，每次測試后都需要對發動機進行拆解，以確認是否有問題，在此基礎上先給出一個初始限值。

第二步：驗證

即使用事先準備好的各種缺陷零件進行裝配，根據初始限值檢查測試系統的檢出率以及初始限值的合理性。避免限值設置過嚴導致誤判影響裝配線的生產效率或者限值設置過于寬松導致不合格品未被及時檢出造成后道返工成本增加甚至引起客戶抱怨。

在設定初始限值的過程中，要確保裝配過程的穩定與一致，比如對主軸頸、連桿頸以及缸孔的涂油必須確保和批產時一致，降低裝配過程對測試結果的影響。

完成上述兩步后即可以進入生產爬坡階段，初始限值在后續的批量生產過程中要根據實際情況，不停的進行迭代，以提高測試系統的準確性。因為不同的發動機的主軸頸與主軸瓦的間隙，連桿頸與連桿瓦的間隙以及活塞與缸孔的間隙在設計上存在差異，因此不同的發動機摩擦力矩的報警限值差異較大，另外，零件尺寸的一致性也決定了該限值的準確性，零件尺寸的一致性越高，批次之間差異越小，那么該限值的準確性就越高。

3 測試機構與測試過程

摩擦力矩的測試機構由機械部分和控制部分組成，機械部分主要由電機殼體，交流伺服電機，變速箱，扭矩接收器，信號放大器以及連接軸組成，見圖2。控制部分主要是一個集成了數控模塊的功率放大器以及連接線。數控模塊中的處理器可以完成控制與測試的功能，測試過程中的扭矩測量值與曲軸轉角曲線可以顯示在與之連接的顯示屏上，并自動和給定的限值進行對比，給出合格與否的判斷。

該測試機構集成在發動機裝配線的主線上，每一臺發動機在完成曲軸連桿機構和活塞的裝配后，通過板鏈被運送到該位置并給出可以測試的信號，測試機構與發動機曲軸自動進行對接，然后控制器給出信號，開始測試，由伺服電機帶動曲軸旋轉3圈完成摩擦力矩的測試，測試結果顯示在該工位的顯示屏上，測試合格的發動機被放行繼續向下一個工位運行，不合格的發動機則通過與主線相通的不合格品專用線流出主線，操作人員對不合格的發動機進行拆解并確認不合格的原因，常見的不合格原因往往有以下幾種：

（1）摩擦付上有外來顆粒物；

（2）軸瓦上的毛刺；

（3）曲軸軸頸上有銹斑或者加工液/清洗液的污漬；

（4）零件尺寸超差；

（5）零件有損傷；

（6）裝配缺陷，比如軸瓦錯位，活塞環裝配缺陷等。

圖2

4 摩擦力矩測試方法的使用場景

雖然說摩擦力矩的測試方法相比于傳統的測試方法無論在缺陷的檢出率還是生產效率上都有明顯的優勢，但它依然不是在任何情況下都100%有效的方法，下表為某發動機使用不同的測試方法，在相同的顆粒物大小的情況下，缺陷檢出率的統計：

表2

從表2中可以看出，摩擦力矩法的缺陷檢出率大約在77%左右，而另外兩種方法的檢出率均不足10%，這也充分說明摩擦力矩法的有效性，同時我們也必須注意到，依然有23%左右的缺陷發動機沒能被有效的檢測出來，因此我們不能完全依靠這一種方法來控制批量生產的發動機質量，還需要輔以其他的措施，在實際的生產中使用比較廣泛的是在后道的發動機冷試中增加零位扭矩檢測法，它是一個對摩擦力矩很好的補充措施，二者加以組合使用，可以大大提高缺陷發動機的檢出率。另外，摩擦力矩測試法隨著氣缸數量的增加，特別是針對V型發動機，缺陷識別的準確性會有所下降，因為隨著汽缸數量的增加，整個曲軸的旋轉力矩將增大，力矩的小幅異常上升將難以被識別出來，缺陷檢出率與氣缸數量的曲線見圖3；另外針對V型發動機由于各缸活塞發生換向的時間點不一致也增加了缺陷檢出的難度。

圖3

5 應用實例

我司從2014年開始引入摩擦力矩的測試方法，初期本著從嚴控制的理念，各個限值設定相對比較苛刻，經過多年的實踐，我們發現大約有30%的發動機摩擦力矩異常是由于摩擦付之間存在異物造成的，因此據這一結果我們加強了零件清潔度以及過程清潔度的控制，通過使用合適的裝配工具，增加吸塵裝置，改進零件的清洗方案等方法持續對清潔度進行優化，并根據實際的拆解結果對限值做出相應的調整，目前異常發動機的比例已經從最初的千分之十下降到千分之四。結合發動機冷試中零位扭矩的控制，在整車廠以及在客戶端由于異物造成的發動機燒瓦的案例幾乎為零。

6 總結

現代發動機不論在設計上還是在生產工藝上都使用了很多新的技術和方法，發動機的性能參數也有很大的提高，對零件以及裝配質量的要求也大大的提高了，為了保證產品質量，降低損失，相應的預防和檢測方法也需要改進，對于現代發動機的生產線來說，摩擦力矩的測試方法不論在成本上還是在生產效率上都是一種行之有效的可靠的方法，它不僅能夠有效的識別出潛在質量問題的發動機，還能夠指導我們從哪些方面入手去改善我們的零件以及過程質量，從而能夠最大程度的降低損失，提升生產效率和客戶滿意度。

[1] 孫會,張麗麗.發動機裝配質量技術淺談[M]工程技術(文摘版)2017.

[2] 彭峰,王睿晟.發動機缸體清潔度控制方法淺析[M]內燃機與配件2019.

[3] 馮炳.摩擦力矩的測試方法研究[M]哈爾濱工業大學2010.

Friction torque detection method in the engine assembly process

Li Xiuhai

（SAIC Volkswagen Automotive ltd., co., Shanghai 201805）

Introduction of the automatic friction torque detection method and working principle used in the modern engine assembly process. Through this method, the potential damage to the engine caused by the size deviation or cleanliness problem of moving parts can be identified in the early stage, and the rework can be carried out in time to reduce the rework cost and improve the labor productivity and engine quality.

Friction Torque; Engine

U466

B

1671-7988(2019)24-76-03

U466

B

1671-7988(2019)24-76-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.025

李秀海，就職于上汽大眾汽車有限公司。