關于發動機裝配擰緊有效性提升的研究

仇飛

摘 要：在發動機的裝配過程中，擰緊是應用最多的裝配工藝，擰緊的有效性是每個發動機裝配廠必須重點關注及研究的。文章通過分析擰緊連接的原理及作用方式，從多方面進行整理研究，主要涉及扭矩轉化夾緊力比例、擰緊連接方式、五種擰緊工藝的優劣勢對比及詳細分析等，提升發動機裝配擰緊的有效性，從而發動機裝配擰緊質量。

關鍵詞：汽車;發動機;裝配;螺栓;擰緊;扭矩

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-169-03

Abstract： In the process of engine assembly， tightening is the most widely used assembly process. The effectiveness of tightening is something that every engine assembly plant must focus on and study. By analyzing the principle and function of the tightening connection， the research is organized from various aspects， mainly involving the torque conversion clamping force ratio， the tightening connection method， the advantages and disadvantages of the five tightening processes， and detailed analysis， etc.， to improve the effectiveness of the engine assembly tightening ， Thereby tightening the quality of the engine assembly.

Keywords： Automobile; Engine; Assembly; Bolt; Tightening; Torque

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-169-03

引言

發動機是汽車大家庭里的核心成員，在汽車行業內，它被稱為汽車的“心臟”。發動機由數百個零件裝配而成，包含金屬、橡膠、塑料等多種材質零件，裝配工藝復雜多樣，其中螺栓擰緊連接是發動機裝配作業中廣泛采用的一種裝配方式，擰緊連接的有效性會直接影響發動機的密封性、動力性、安全性等諸多性能。故螺栓的擰緊控制及分析是每個發動機裝配廠必須重點關注及研究的，本文介紹了擰緊連接的原理及作用方式，通過對螺栓的扭矩轉化夾緊力比例、擰緊連接方式、五種擰緊工藝等方面進行分析，研究如何對發動機裝配過程擰緊進行有效控制。

1 擰緊連接的原理及作用方式

擰緊連接是通過螺栓與螺紋孔或螺母之間的旋轉擰緊，將兩個被裝配零件連接在一起，使其受到相應的壓緊力，壓緊力在被擰緊的螺栓上的體現，我們稱之為軸向拉應力，而軸向拉應力的實際生產過程中難以監控。螺栓擰緊的扭矩相對來說較好測量及監控，在市場上有成熟的測量及監控手段，所以在發動機工藝設計及實際生產中，通常用扭矩大小來判定螺栓擰緊結果是否OK。扭矩是指螺栓被擰緊時，受到的扭轉力，等于施加于擰緊工具的擰緊力乘以力臂。

2 通過提升扭矩轉化夾緊力比例來提升擰緊有效性

螺栓裝入被裝配零件，與零件另一端的螺帽或者零件的螺紋配合擰緊，擰緊后螺栓產生拉伸變形，衍生出一個軸向壓力，被裝配零件受到該壓力后被緊緊地裝配在一起，行業內稱之為稱為夾緊力。發動機大多零件的工作環境惡劣，有高溫、高速運動、高頻率震動等情況存在，且在密封連接件之間更是有高壓、腐蝕等情況，充足的夾緊力可以使發動機零件在以上惡劣環境中得以長期穩定的工作而不發生松動錯位等問題。扭矩在作用于零件過程中，通常有50%的扭矩消耗在克服螺栓法蘭面與零件間的摩擦力，40%的扭矩消耗在克服螺栓螺紋與螺孔的摩擦力，僅有10%的扭矩轉化為夾緊力。因此，在擰緊過程中，我們需要考慮如何減少摩擦力，提升夾緊力，從而提升擰緊有效性。較為常見的做法是在螺紋處涂抹潤滑油，可有效降低扭矩在克服摩擦力中的消耗，與涂潤滑油之前相比夾緊力可提升20%至50%。同時還需要確保螺栓與螺紋之間沒有雜質，如有雜質，會加大摩擦力，導致夾緊力降低，嚴重的甚至在發動機運轉過程中發生螺栓松動。

3 不同擰緊連接方式的提升擰緊有效性方法

根據被連接件不同的材質特性，擰緊連接分為硬連接及軟連接。硬連接擰緊過程中，在螺栓擰緊貼合后，扭矩會隨著螺栓的轉動迅速變大，達到最終扭矩的旋轉角度通常小于180°。圖1是一個典型的硬連接擰緊過程，從螺栓旋轉4920°左右開始，螺栓與零件貼合，扭矩逐步增大，在螺栓繼續旋轉145°后達到目標扭矩184N*M。在硬連接擰緊中，螺栓與零件之間的應力對擰緊有效性影響較大，可使用重復擰緊法，通過擰緊→擰松→再擰緊的過程，釋放部分螺栓及零件之間的應力，減少應力對擰緊有效性的影響。

軟連接擰緊過程中，在螺栓擰緊貼合后，扭矩隨著螺栓轉動增大過程較慢，達到最終扭矩的旋轉角度通常大于360°，且靜態扭矩受被連接件的彈性變形影響較大。圖2是發動機氣缸蓋罩螺栓擰緊的扭矩/角度曲線圖，這是一個典型的軟連接擰緊過程，從螺栓旋轉3100°左右開始，螺栓與零件貼合，扭矩逐步增大，在螺栓繼續旋轉近600°后達到目標扭矩10N*M。在軟連接擰緊中，需盡量降低擰緊工具的轉速，減小材料的彈性變形對靜態扭矩的影響，從而達到提升擰緊有效性的目的。

4 通過擰緊工藝的選擇來提升擰緊有效性

前文中，我們提到了螺栓擰緊貼合后，扭矩/角度曲線呈明顯的上升走勢。如果到了目標扭矩后，繼續擰緊，那么扭矩/角度曲線會在上升到某個高度后，走勢變平，隨著角度的增加，扭矩不再變大，曲線變為水平走勢。角度繼續增加后，逐步到達螺栓的抗拉強度極限，扭矩會急速下降，直至螺栓斷裂。那么，在扭矩達到最大值的時、螺栓到達抗拉強度極限前，就是擰緊有效性最佳的時候，通過不同的擰緊工藝，可實現不同程度的將螺栓扭矩控制在最大。常見的擰緊工藝分為五種：扭矩控制法、扭矩+轉角控制法、屈服點控制法、質量保證法、扭矩斜率法。

扭矩控制法即設定一個最終扭矩，通過擰緊工具，將螺栓擰緊至該扭矩，則完成了該擰緊。其優點是較為簡便、成本低，一定程度上能滿足普通連接件的擰緊需求，而且擰緊后的靜態扭矩容易被復檢，且與動態扭矩值相差不大。由于扭矩僅有小部分能轉化為夾緊力，大部分用于克服零件及螺栓之間的摩擦力，所以螺栓及被連接件的材質、螺紋加工精度、表面處理、擰緊速度等都會影響到扭矩控制法有效性，這些因素的存在會使最終擰緊有效性浮動較大。理論上，摩擦力的離散狀態非常嚴重，所以夾緊力的離散值往往可達到±20～30%，但由于扭矩控制法成本低的優勢，還是受到廣泛使用。所以，扭矩控制法通常用于非關鍵部位的螺紋連接，但被裝配零件本身的質量需要有一定的控制。

扭矩+轉角控制法相當于是扭矩控制法是升級版，先將螺栓擰緊到一個初步扭矩，一般在最終扭矩的30%左右，再繼續擰緊螺栓一定的角度，從而達到最終擰緊要求。例如某發動機噴油器壓塊螺栓，按扭矩控制法擰緊工藝為35NM，按扭矩+轉角控制法擰緊工藝為12NM+115°，最終扭矩會在30～45NM之間。扭矩+角度控制法的初始扭矩是用于使螺栓法蘭面或墊片與零件貼合并產生初步的夾緊力，使擰緊過程在一個正確的起點開始計算角度，而不是因為某個雜質異物等卡滯導致螺栓貼合零件之前就開始計算角度。在使用固定轉角擰緊后，零件與螺栓之間的摩擦阻力變化僅是對最終扭矩影響較大，但是對最終的夾緊力影響變小，即擰緊有效性能得到更好的控制。扭矩+轉角控制法與扭矩控制法最大的不同在于：扭矩控制法通常將最大螺栓軸向預緊力限定在螺栓彈性極限的90%處，它的優點在于受摩擦系數影響較小，可得到比較高的夾緊力且夾緊力的離散度較小。缺點是扭矩+角度的具體工藝定值難以確定，需要通過實驗和數據分析得出，且批量生產中只能使用電動擰緊工具，而電動擰緊工具成本是同品牌氣動擰緊工具的近十倍，同時由于最終扭矩比較分散，靜態扭矩的復檢難度會加大。扭矩+轉角控制法可較穩定地發揮出螺栓的性能，考慮到研發及使用成本較高，適用于年產量高的發動機生產線或關鍵螺栓的擰緊。

屈服點控制法是將螺栓擰緊至屈服點。屈服點是通過研究螺栓從彈性變形到塑性變形過渡時的特性，在快達到塑性變形前的某個點，可以最大程度利用彈性變形帶來的夾緊力。擰緊過程中的屈服點是通過對擰緊的扭矩與轉角曲線斜率的連續計算和判斷來確定的。可以用速度和加速度的關系來理解扭矩與扭矩斜率的關系，在初階段扭矩/速度提升的時候，扭矩斜率/加速度也逐步變大，變大至一定值后，扭矩斜率/加速度保持不變，此時扭矩/速度提升最快，持續一段時間后，扭矩斜率/加速度會降低，但此時扭矩/速度仍然在上升，至扭矩斜率/加速度下降至最大值1/2的時候，即達到螺栓屈服點，立即發出停止擰緊信號。在屈服點控制法中，夾緊力的大小主要取決于緊固件的屈服強度，因此能得到較大的夾緊力，夾緊力的離散度也較小，而且夾緊力不受摩擦系數變化的影響。屈服點控制法要求對零件表面進行嚴格的處理，任何打滑和阻滯現象都會使扭矩/轉角曲線偏離正常的范圍從而使控制系統發出錯誤警告，此外對螺栓的要求也非常高。屈服點控制法適用于核心螺栓的擰緊，如發動機的缸蓋螺栓。

質量保證法是通過使用超聲波檢測螺栓在擰緊過程中的拉長長度，來確定螺栓達到屈服點的擰緊工藝。扭矩斜率法是以扭矩斜率值的變化作為擰緊控制。這兩種方法在實際批量生產過程中應用較少。

5 結論

本文闡述了擰緊連接的原理及作用方式，并從多方面較為系統的分析了在發動機裝配過程中，如何選擇相應的擰緊工藝、控制方法等，來提升不同零件、不同要求的螺栓擰緊有效性，使發動機裝配完成后，能長期穩定的保持發動機性能，保證汽車的“心臟”不怠工。

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