仇飛

摘 要：在發(fā)動機(jī)的裝配過程中，擰緊是應(yīng)用最多的裝配工藝，擰緊的有效性是每個發(fā)動機(jī)裝配廠必須重點關(guān)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(jìn)行整理研究，主要涉及扭矩轉(zhuǎn)化夾緊力比例、擰緊連接方式、五種擰緊工藝的優(yōu)劣勢對比及詳細(xì)分析等，提升發(fā)動機(jī)裝配擰緊的有效性，從而發(fā)動機(jī)裝配擰緊質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：汽車;發(fā)動機(jī);裝配;螺栓;擰緊;扭矩

中圖分類號：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)動機(jī)是汽車大家庭里的核心成員，在汽車行業(yè)內(nèi)，它被稱為汽車的“心臟”。發(fā)動機(jī)由數(shù)百個零件裝配而成，包含金屬、橡膠、塑料等多種材質(zhì)零件，裝配工藝復(fù)雜多樣，其中螺栓擰緊連接是發(fā)動機(jī)裝配作業(yè)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)裝配廠必須重點關(guān)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(zhuǎn)化夾緊力比例、擰緊連接方式、五種擰緊工藝等方面進(jìn)行分析，研究如何對發(fā)動機(jī)裝配過程擰緊進(jìn)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(zhuǎn)擰緊，將兩個被裝配零件連接在一起，使其受到相應(yīng)的壓緊力，壓緊力在被擰緊的螺栓上的體現(xiàn)，我們稱之為軸向拉應(yīng)力，而軸向拉應(yīng)力的實際生產(chǎn)過程中難以監(jiān)控。螺栓擰緊的扭矩相對來說較好測量及監(jiān)控，在市場上有成熟的測量及監(jiān)控手段，所以在發(fā)動機(jī)工藝設(shè)計及實際生產(chǎn)中，通常用扭矩大小來判定螺栓擰緊結(jié)果是否OK。扭矩是指螺栓被擰緊時，受到的扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(yè)內(nèi)稱之為稱為夾緊力。發(fā)動機(jī)大多零件的工作環(huán)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(fā)動機(jī)零件在以上惡劣環(huán)境中得以長期穩(wěn)定的工作而不發(fā)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(zhuǎn)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(zhì)，如有雜質(zhì)，會加大摩擦力，導(dǎo)致夾緊力降低，嚴(yán)重的甚至在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)過程中發(fā)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(jù)被連接件不同的材質(zhì)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(zhuǎn)動迅速變大，達(dá)到最終扭矩的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)4920°左右開始，螺栓與零件貼合，扭矩逐步增大，在螺栓繼續(xù)旋轉(zhuǎn)145°后達(dá)到目標(biāo)扭矩184N*M。在硬連接擰緊中，螺栓與零件之間的應(yīng)力對擰緊有效性影響較大，可使用重復(fù)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(yīng)力，減少應(yīng)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(zhuǎn)動增大過程較慢，達(dá)到最終扭矩的旋轉(zhuǎn)角度通常大于360°，且靜態(tài)扭矩受被連接件的彈性變形影響較大。圖2是發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)3100°左右開始，螺栓與零件貼合，扭矩逐步增大，在螺栓繼續(xù)旋轉(zhuǎn)近600°后達(dá)到目標(biāo)扭矩10N*M。在軟連接擰緊中，需盡量降低擰緊工具的轉(zhuǎn)速，減小材料的彈性變形對靜態(tài)扭矩的影響，從而達(dá)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(biāo)扭矩后，繼續(xù)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?yōu)樗阶邉?。角度繼續(xù)增加后，逐步到達(dá)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(dá)到最大值的時、螺栓到達(dá)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(xiàn)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(zhuǎn)角控制法、屈服點控制法、質(zhì)量保證法、扭矩斜率法。

扭矩控制法即設(shè)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(yōu)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(tài)扭矩容易被復(fù)檢，且與動態(tài)扭矩值相差不大。由于扭矩僅有小部分能轉(zhuǎn)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(zhì)、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(tài)非常嚴(yán)重，所以夾緊力的離散值往往可達(dá)到±20～30%，但由于扭矩控制法成本低的優(yōu)勢，還是受到廣泛使用。所以，扭矩控制法通常用于非關(guān)鍵部位的螺紋連接，但被裝配零件本身的質(zhì)量需要有一定的控制。

扭矩+轉(zhuǎn)角控制法相當(dāng)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(xù)擰緊螺栓一定的角度，從而達(dá)到最終擰緊要求。例如某發(fā)動機(jī)噴油器壓塊螺栓，按扭矩控制法擰緊工藝為35NM，按扭矩+轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhì)異物等卡滯導(dǎo)致螺栓貼合零件之前就開始計算角度。在使用固定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yù)緊力限定在螺栓彈性極限的90%處，它的優(yōu)點在于受摩擦系數(shù)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(shù)據(jù)分析得出，且批量生產(chǎn)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(tài)扭矩的復(fù)檢難度會加大。扭矩+轉(zhuǎn)角控制法可較穩(wěn)定地發(fā)揮出螺栓的性能，考慮到研發(fā)及使用成本較高，適用于年產(chǎn)量高的發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線或關(guān)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(dá)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(zhuǎn)角曲線斜率的連續(xù)計算和判斷來確定的?？梢杂盟俣群图铀俣鹊年P(guān)系來理解扭矩與扭矩斜率的關(guān)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(xù)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(dá)到螺栓屈服點，立即發(fā)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(shù)變化的影響。屈服點控制法要求對零件表面進(jìn)行嚴(yán)格的處理，任何打滑和阻滯現(xiàn)象都會使扭矩/轉(zhuǎn)角曲線偏離正常的范圍從而使控制系統(tǒng)發(fā)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(fā)動機(jī)的缸蓋螺栓。

質(zhì)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(dá)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(chǎn)過程中應(yīng)用較少。

5 結(jié)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(tǒng)的分析了在發(fā)動機(jī)裝配過程中，如何選擇相應(yīng)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(fā)動機(jī)裝配完成后，能長期穩(wěn)定的保持發(fā)動機(jī)性能，保證汽車的“心臟”不怠工。

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