增壓器自鎖螺柱防松失效分析及擰緊策略優化

呂周情，高俊翠，荊慧敏

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術中心，廣西 柳州 545005；2.東風柳州汽車有限公司品質保障部，廣西 柳州 545005；3.上汽通用五菱汽車股份有限公司 寶駿基地，廣西 柳州 545005）

本研究對象為增壓器與排氣歧管連接的雙頭螺柱，此處溫度最高可達1000 益，且受到發動機廢氣的脈沖沖擊，溫度的劇烈變化等，因此,此處的連接件可靠性要求較高，無法使用簡單防松方式，針對該情況，需要新型的防松設計及精準的擰緊控制策略。

1 問題的提出

某產品項目中一臺增壓發動機的渦輪增壓器與排氣歧管連接的鎖緊雙頭螺柱在整車路試時，出現與之相配的三顆螺母全部松脫的現象，位置如圖1 所示。此連接結構為螺柱安裝在渦輪增壓器渦殼上，再通過螺母將增壓器與排氣歧管連接緊固。螺母是被電槍擰入到雙頭螺柱上，查詢故障車輛歷史數據，擰緊數據合格，無返修，初步判斷為自鎖螺柱/螺母的自鎖力不足，故在查找螺柱失去設計上的自鎖功能原因的同時，考慮從螺母擰緊程序上實現監控螺柱自鎖的功能是否有效。

圖1 螺母松脫的位置及零件

2 失效螺柱自鎖方式分析

所分析的增壓器與排氣歧管連接雙頭螺柱的自鎖方式即為摩擦防松的一種，其方法是在正常螺紋的雙頭螺柱基礎上，在螺紋圓周每個120毅方向上均勻壓三條長度為24 mm 的壓痕。普通螺紋的螺母擰入后，螺母螺紋遭到破壞，螺紋副的摩擦力增大，再反向松出時，會有一定的力矩，從而達到自鎖功能[1]。企業對自鎖螺紋的第一次旋入、旋出力矩（即自鎖功能）做出了量化規定，要求第一次擰入扭矩9 N·m 最大（擰入速度為110依10 r/min），第一次的擰出扭矩1 N·m 最小（在擰出螺母的第一個360毅內，擰出速度為350依10 r/min）。

3 擰緊過程分析

路試自鎖螺母脫落問題反饋回工廠后，擰緊團隊立即對在線生產物料及過程進行確認，查看螺母擰緊的曲線，如圖2 所示。螺母開始進入自鎖螺紋段后，擰入力矩上升至4 N·m 后，力矩迅速下降至0，直至擰緊貼合時扭矩才開始上升，即除了接觸到自鎖螺紋初始階段，后續的自鎖螺紋的自鎖功能已經失效，與普通螺栓螺母的配合無異，增壓器工作時，受到高溫高壓的發動機廢氣不斷沖擊振動，螺母螺柱失去自鎖功能，螺母的軸向預緊力瞬時變小，經過一段時間的循環往復，最終螺母松動甚至脫落。

圖2 線旁生產物料擰緊曲線

4 緊固件零件狀態分析

由于擰緊曲線的異常，問題產生的原因隨之指向緊固件，目檢發現自鎖螺柱上的壓痕不均勻，起始端的壓痕較深，靠近光桿端的壓痕較淺，隨后對螺柱三個方向，前后端的三角高進行測量，并計算同一條壓痕上前后端的三角高差值絕對值，用其與公差帶的比值，來判斷壓痕的穩定性，結果顯示有三條壓痕前后差值，超過公差帶的50%，數據證明雙頭螺柱三角高測量沖壓不均勻，結果見表1。

表1 線旁雙頭螺柱三角高抽檢尺寸

為了進一步確認該螺柱是否滿足圖紙設計要求（第一次擰入扭矩9 N·m 最大，第一次的擰出扭矩1 N·m 最小，擰入擰出速度為350依10 r/min），在生產線下用電槍以350 r/min 的速度，將螺母擰入擰出，記錄曲線上的扭矩值如圖3 和圖4，可以看出，其擰入力矩最大為8 N·m，滿足圖紙要求，擰出力矩為0.7 N·m，不滿足圖紙要求的最小1 N·m 的要求，故螺母在路試時脫落的直接原因為自鎖螺柱上的自鎖螺柱沖壓不均衡，造成自鎖功能衰退或者失效。

圖3 螺母在自鎖螺柱上旋入曲線

圖4 螺母在自鎖螺柱上旋出曲線

5 整改后零件質量狀態檢測

對于零件質量不滿足圖紙要求的問題，供應商從模具和檢測方法方面進行了改進。這里重點探討如何利用擰緊程序對類似自鎖力失效的零件進行探測以杜絕缺陷零件逃逸出廠。

從故障件的擰緊曲線及對零件的測量報告可以看出，缺陷件在前段壓痕較深，螺母擰入后將螺母的螺牙損壞，從而螺母經過壓痕較淺的部位時，摩擦力減小，失去自鎖力。

供應商對工藝優化后制造的三角高合格的5 根螺柱，在供應商廠內進行旋入旋出試驗，最大扭矩（臆10 N·m）、最小扭矩（逸1 N·m）均滿足圖紙要求，數據見表2。

表2 改進后螺柱第一次擰入/擰出扭矩

為確保供擰緊研究的物料符合圖紙且穩定，在發動機工廠對改進后的物料再次進行了如下驗證。

（1）根據圖紙上的要求，用電槍對5 組全新的螺栓螺母零件進行旋入旋出驗證確認，驗證數據見表3，最大的旋入扭矩均小于2 N·m，旋出扭矩均大于1 N·m，滿足圖紙要求。

表3 主機廠對改進后物料旋入旋出驗證扭力

（2）對自鎖螺柱的三角高進行測量，結果見表4，零件尺寸滿足圖紙要求，尺寸合格。

（3）用生產線螺母擰緊程序，對改進斷點后物料進行裝配，擰緊曲線如圖5 所示。從圖上可看出，在第一步擰緊至10 N·m 過程中，其扭矩未出現下降的情況，無自鎖功能衰退的現象。反松曲線如圖6 所示，其反松后，最大反松扭矩為2.2 N·m，出現在反松230毅，故可以間接證明此批次改進物料的自鎖功能是穩定和合格的。

圖5 螺母裝配擰緊曲線

圖6 裝配后螺母反松曲線

從以上3個方面的驗證結果可以判定，供應商改進后的斷點物料符合圖紙要求，擰緊擰松過程中鎖緊力不衰減，此批物料可以供問題解決團隊研究和優化擰緊程序。

6 自鎖螺柱擰緊程序優化策略

擰緊電槍可以實時監控扭矩，角度，轉速等參數，將時間軸結合起來，就可以監控扭矩上升的斜率，扭矩異常上升或下降等情況，來反向監測螺柱螺母的配合情況。根據前面查找出來的自鎖螺柱的改進前后物料的差異點，且二者在擰緊過程中的不同表現，再用電槍的實時監控功能，通過不斷驗證，可以嘗試通過擰緊程序監控參數的優化來監測零件尺寸波動[2]。

將不合格的雙頭螺柱擰緊曲線和改進后的擰緊曲線放到同一圖片中進行對比，如圖7 所示。從圖7中可以發現，方框中，合格物料曲線的扭矩呈持續上升趨勢，而不合格曲線在擰入摩擦扭矩維持在4 N·m后，在550毅時，扭矩出現下降直到接近0，說明此時的螺母螺紋已經被螺柱破壞，失去自鎖功能。后將多組故障圖片進行對比，發現在第一階段達到10 N·m前階段，均有出現擰緊阻力突然下降的情況。故將擰緊過程中自鎖螺柱與螺母的摩擦阻力作為監控的關鍵，需要利用電槍的扭矩、角度、時間監控功能來監控此階段的扭矩斜率來判斷自鎖扭矩的穩定性[3]。經過團隊的討論與大量驗證，最后將程序優化策略方向總結如下：

圖7 改進前后物料擰緊曲線對比

（1）目前擰緊程序使用的是兩步擰緊法，先擰緊到10 N·m，再擰緊到目標扭矩33 N·m，為檢測零件質量狀態，需要將0～10 N·m 這一步的電槍轉速設定為圖紙要求的110 r/min。

（2）擰入扭矩需要滿足圖紙要求，不大于10 N·m，需要在程序中增加此項監控。

（3）螺母未貼合之前，螺母的擰入扭矩不能出現持續下降，需要增加扭矩下降的時間和扭矩最小值監控。

經過收集大量斷點后的擰緊數據，最后鎖定的優化方案見表5，其中下劃線部分為經過優化的部分，主要是在step1 增加了起始扭矩監控，以減少10 N·m 前扭矩降低的誤判，在step2 增加了1～10 N·m 區間的角度監控以及在此過程中扭矩不能下降和扭矩不能超過圖紙要求的上限10 N·m。

表5 自鎖螺柱擰緊程序優化策略

7 結語

通過對增壓器自鎖螺柱連接螺母脫落問題為切入點，分析了自鎖螺柱異常狀態及其生產過程控制存在的漏洞，識別出自鎖螺柱生產的關鍵控制點，而后收集了大量的擰緊試驗，鎖定了擰緊過程監控數據。為類似自鎖螺柱的裝配提供監控思路及經驗。由于此結構的自鎖螺柱為本公司首次使用，也為此類結構零件的擴大應用奠定了基礎。