鄭黎明

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

0 引言

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承力零件。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞往復(fù)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)換為曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿時(shí)刻承受著交變載荷，因此連桿質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性能［1］。連桿在結(jié)構(gòu)上包括大頭端和小頭端，大頭端連接在曲軸上，小頭端連接在活塞上。大頭端被剖分為連桿蓋和連桿體兩部分，經(jīng)螺栓連接使桿端和體端嚙合，最終連桿的大頭端才能夠被裝配到曲軸上。連桿工作時(shí)，螺栓承受了大部分載荷，一般情況下需對(duì)連桿的軸向預(yù)緊力進(jìn)行嚴(yán)格控制，這對(duì)螺栓材料和螺栓加工工藝提出了很高的要求［2］。連桿螺栓通常選用扭矩/轉(zhuǎn)角法進(jìn)行裝配［3-4］，因此發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的螺栓裝配工藝對(duì)于連桿質(zhì)量控制具有重要的意義。連桿螺栓自動(dòng)裝配設(shè)備是控制裝配質(zhì)量的關(guān)鍵，本文開(kāi)發(fā)連桿螺栓專用裝配設(shè)備，并針對(duì)某α 型轎車連桿，根據(jù)該連桿螺栓的具體裝配要求，利用該裝備對(duì)螺栓裝配工藝進(jìn)行研究。

1 連桿螺栓專用裝配設(shè)備

螺栓專用設(shè)備在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可以分為螺栓自動(dòng)上料系統(tǒng)和定扭矩?cái)Q緊系統(tǒng)兩部分，具體功能包括螺栓自動(dòng)上料、裝配和定扭矩?cái)Q緊。本設(shè)備由底座、連桿定位機(jī)構(gòu)、螺栓翻轉(zhuǎn)與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、定扭矩扳手進(jìn)給機(jī)構(gòu)、螺栓自動(dòng)分離機(jī)構(gòu)、螺栓輸送管等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

螺栓振動(dòng)上料系統(tǒng)又包括振動(dòng)料斗、輸料軌道、螺栓分離機(jī)構(gòu)。振動(dòng)料斗和輸料軌道均利用磁致振動(dòng)的原理，將螺栓依次排序，并輸送至分離機(jī)構(gòu)。分離機(jī)構(gòu)利用分離塊將2 個(gè)螺栓分別送入2 根輸料管內(nèi)。振動(dòng)上料系統(tǒng)與定扭矩?cái)Q緊系統(tǒng)通過(guò)輸料管相連。定扭矩系統(tǒng)完成螺栓裝配和擰緊任務(wù)。由輸料管送來(lái)的螺栓被翻轉(zhuǎn)一定角度，經(jīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)送入連桿大頭端的螺栓孔內(nèi)，定扭矩扳手送進(jìn)，并按照規(guī)劃裝配工藝完成螺栓裝配。

螺栓裝配設(shè)備選用德國(guó)博世SYSTEM300 型擰緊系統(tǒng)，扳手扭矩工作范圍在20～90 N·m。該擰緊系統(tǒng)由擰緊軸、控制單元和工控機(jī)組成。

圖1 螺栓初擰緊工位結(jié)構(gòu)

2 螺栓裝配工藝要求

圖2 α 型連桿照片

α 型連桿為轎車連桿，它選用C70S6 材料的整體鍛造毛坯，然后采用裂解加工方法，完成連桿蓋與連桿體的分離，通過(guò)螺栓完成桿與體的嚙合。嚙合面將限制連桿蓋與連桿體的相對(duì)位置，連桿工作時(shí)，螺栓只承受拉應(yīng)力，不承受剪應(yīng)力。α 型連桿結(jié)構(gòu)如圖2 所示，整體重量為349±15 g。螺栓信息如下：規(guī)格為M8×0.75，原始長(zhǎng)度為47 mm，材料為SCM435。螺栓裝配分為一次裝配和二次裝配，一次裝配要求在彈性區(qū)域內(nèi)夾緊，主要完成連桿大頭孔斷裂面的整理任務(wù)；二次裝配要求在可塑區(qū)間內(nèi)夾緊，要求軸向預(yù)緊力穩(wěn)定在30 380±980 N。

螺栓的軸向預(yù)緊力僅與螺栓的軸向伸長(zhǎng)量有關(guān)［5-6］，在彈性區(qū)間內(nèi)夾緊時(shí)，卸載后的軸向伸長(zhǎng)為零，在可塑區(qū)域內(nèi)夾緊時(shí)，卸載后的軸向伸長(zhǎng)量為正。螺栓生產(chǎn)廠家對(duì)螺栓進(jìn)行了特定的物理拉伸試驗(yàn)，該試驗(yàn)結(jié)果表明，卸載后的螺栓伸長(zhǎng)量在0.14～0.17 mm 范圍內(nèi)時(shí)，能夠保證螺栓二次裝配的軸向預(yù)緊力滿足要求。

3 螺栓裝配試驗(yàn)

連桿螺栓在其裝配過(guò)程中只允許發(fā)生兩次塑性變形，分別是連桿制造過(guò)程預(yù)裝配和連桿在發(fā)動(dòng)機(jī)上的終裝配。在連桿制造過(guò)程的預(yù)裝配又包括一次裝配和二次裝配，本文在自主開(kāi)發(fā)的專用連桿螺栓裝配設(shè)備（見(jiàn)圖3）上進(jìn)行螺栓一次裝配和二次裝配試驗(yàn)。

圖3 連桿螺栓裝配設(shè)備

3.1 一次裝配試驗(yàn)

選取若干連桿，利用圖3 所示設(shè)備，采用扭矩/轉(zhuǎn)角法進(jìn)行一次裝配，參數(shù)為20 N·m+25°。任取其中3 支連桿，將螺栓卸載后，采用千分尺測(cè)量6 只螺栓的軸向伸長(zhǎng)量，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，在一次螺栓裝配過(guò)程中，螺栓基本未發(fā)生塑性變形，仍處于彈性變形階段。所有螺栓伸長(zhǎng)變形均由彈性變形提供，這符合螺栓初擰緊工序的加工要求。

3.2 二次裝配試驗(yàn)

選取若干連桿，利用圖3 所示設(shè)備，采用扭矩/轉(zhuǎn)角法進(jìn)行二次裝配，參數(shù)為20 N·m+95°。任取其中5 支連桿，將螺栓卸載后，采用千分尺測(cè)量10 只螺栓的軸向伸長(zhǎng)量，結(jié)果如表2 所示，可知最大的螺栓伸長(zhǎng)量為0.17 mm，最小的螺栓伸長(zhǎng)量為0.14 mm，全部螺栓伸長(zhǎng)量均在0.14～0.17 mm 范圍內(nèi)。螺栓的平均變形量為0.16 mm，平均變形量在0.14～0.17mm 范圍內(nèi)，能保證螺栓軸向力的要求。

調(diào)取設(shè)備記錄的扭矩轉(zhuǎn)角關(guān)系監(jiān)測(cè)曲線，如圖4所示。當(dāng)扳手開(kāi)始擰緊時(shí)，螺栓頭部扭矩基本保持在4 N·m，此時(shí)表現(xiàn)為摩擦扭矩。繼續(xù)加載后，扭矩值緩慢升高，當(dāng)扭矩達(dá)到20 N·m 時(shí)，設(shè)備停止加載。在此基礎(chǔ)上，扳手開(kāi)始施加轉(zhuǎn)角載荷，帶動(dòng)螺栓轉(zhuǎn)過(guò)工藝規(guī)定的95°。當(dāng)螺栓轉(zhuǎn)角為50°時(shí)，檢測(cè)到的扭矩值與螺栓轉(zhuǎn)過(guò)角度不再呈線性關(guān)系，說(shuō)明螺栓此時(shí)開(kāi)始發(fā)生塑性變形，此時(shí)螺栓達(dá)到屈服點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)角為95°時(shí)，螺栓已超過(guò)屈服點(diǎn)，螺栓伸長(zhǎng)變形包含彈性變形和部分塑性變形，因此螺栓軸向力夾緊方式為可塑區(qū)域內(nèi)夾緊。從扭矩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，螺栓頭部施加的扭矩值在37～44 N·m 范圍內(nèi)。

表2 二次裝配的螺栓伸長(zhǎng)量 mm

圖4 扭矩轉(zhuǎn)角檢測(cè)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的螺栓裝配的軸向力要求，確定了螺栓的軸向伸長(zhǎng)量，采用扭矩轉(zhuǎn)角法，利用自主開(kāi)發(fā)設(shè)備經(jīng)行了該連桿的螺栓裝配試驗(yàn)，確定了一次擰緊的工藝參數(shù)為20 N·m+25°，二次裝配的擰緊工藝參數(shù)為20 N·m+95°，在以上工藝參數(shù)下，能夠滿足該型連桿螺栓裝配的具體工藝要求。

［1］何元章，夏國(guó)祥，王文建，等.某發(fā)動(dòng)機(jī)連桿斷裂原因分析的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2012（2）：23-25，29.

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