發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓擰緊工藝與校驗(yàn)

1、發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓擰緊工藝及力矩檢驗(yàn)【摘要】：本文主要介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓擰緊工藝中的基本知識(shí)，擰緊方法,同時(shí)舉例說(shuō)明XG4G22D4發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓TA擰緊法的計(jì)算，最后簡(jiǎn)要介紹螺栓擰緊的檢測(cè)方法。文章對(duì)汽車裝配生產(chǎn)中的螺栓擰緊有積極意義?！娟P(guān)鍵詞】：發(fā)動(dòng)機(jī) 螺栓擰緊 TA法 擰緊法 0.引言汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是由眾多零部件通過(guò)焊接、鉚接、粘接或螺紋聯(lián)接方式裝配而成的機(jī)器，其中螺紋聯(lián)接在生產(chǎn)中所占比重最大。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)大約有300500個(gè)螺栓（釘）組成，30%的螺栓又處于重要地位。往往螺栓本身所具有的價(jià)值并不大，但其所聯(lián)接的產(chǎn)品確是十分關(guān)鍵。隨著高速發(fā)動(dòng)機(jī)不斷出現(xiàn)，螺栓的可靠連接則越顯重要。隨著近年來(lái)汽車工業(yè)的迅速

2、發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)螺栓擰緊工藝也更加重視。本文將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊方法作以分析。1.有關(guān)擰緊的基本知識(shí)：1.1.擰緊過(guò)程：螺栓擰緊初始，螺栓未與工件貼合時(shí)用很小的力矩（徒手）就能轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓，此時(shí)螺栓對(duì)工件沒(méi)有壓緊力，如圖1中oa 段。當(dāng)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓時(shí)達(dá)到配合面時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生壓緊力，真正擰緊已經(jīng)開(kāi)始（曲線上a點(diǎn)后），壓緊力隨螺栓轉(zhuǎn)角的增加而增加。由圖中可以看出擰緊初始階段（ab段）曲線是非線性的曲線，呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，這是由于螺牙的制造誤差以及各個(gè)接觸面的微觀不平度誤差引起的。在這段非線性過(guò)程之后，b點(diǎn)之后的曲線呈線性狀態(tài)，一直到材料的屈服極限為止（c點(diǎn)），此段壓緊力與轉(zhuǎn)角成一定

3、比例增加。從c點(diǎn)到d點(diǎn)過(guò)程壓緊力不再增加。在d點(diǎn)以后再次緩慢增加，直到材料的極限強(qiáng)度e點(diǎn)，此時(shí)的壓緊力達(dá)到最大值。從此點(diǎn)再轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓，則螺栓出現(xiàn)徑縮現(xiàn)象，直到斷裂。1.2.力矩與壓緊力的關(guān)系：把螺栓擰緊的過(guò)程就是通過(guò)在螺栓上施加力矩T來(lái)產(chǎn)生壓緊力F的過(guò)程。就傳統(tǒng)計(jì)算公式而言，其關(guān)系如下：T=k·F k為扭矩系數(shù)，其計(jì)算公式為：k=d2·tg(+)+（）.螺旋升角，其計(jì)算公式為：=arctg··.螺紋當(dāng)量磨擦角，其公式為：=arctg. 普通螺紋 = arctg1.155 uS梯形螺紋 = arctg1.035 uS矩形螺紋 = arctguSuS螺紋副的靜

4、摩擦系數(shù)，當(dāng)材料為鋼和鑄鐵時(shí)us=0.10.15d2螺紋中徑uC螺母與被聯(lián)接件支承孔面間的靜摩擦系數(shù)dw被聯(lián)接件螺紋光孔直徑d0六角螺母對(duì)邊寬度或墊片外徑p螺距但計(jì)算時(shí)對(duì)于普通螺紋（牙型角=60°）而言，通常用以下面系數(shù)k的經(jīng)驗(yàn)公式，其計(jì)算結(jié)果與公式是一致的:k=0.161p+0.585 d2*S+0.5* C Dk ······················

5、83;······················ Dk螺栓頭或螺母與被聯(lián)接件接觸面的平均直徑總之，無(wú)論采用哪種公式來(lái)計(jì)算系數(shù)k值，最終的k值都需要用實(shí)驗(yàn)來(lái)修正之，從而找出一個(gè)適合的值。由發(fā)上公式可以看出，影響壓緊力的兩個(gè)因素：一個(gè)是擰緊力矩，一個(gè)是摩擦系數(shù)。力矩T對(duì)磨擦系數(shù)的影響是明顯的、直接的，這里不做分析，僅僅分析摩擦系數(shù)對(duì)壓緊力的影響。由于螺紋接觸面、螺母壓緊面的物理?xiàng)l

6、件（如軸線的垂直度、粗糙度、潤(rùn)滑條件、材料、擰緊速度）不一致和緊固方式的不準(zhǔn)確，使壓緊力有一定的分散性。如圖2給出了力矩相同情況下，由于摩擦系數(shù)的不同造成壓緊力不同的例子。力矩TT01221壓緊FF2 F1圖2當(dāng)力矩同為T0時(shí)，但1對(duì)應(yīng)的壓緊力F1遠(yuǎn)大于2對(duì)應(yīng)的壓緊力F2?？梢?jiàn)在既使是用相同的力矩?cái)Q緊螺栓，但其實(shí)際所產(chǎn)生的作用效果（壓緊力）卻是不同的，且散差較大。1.3螺栓擰緊技術(shù)的原理及方式：雖說(shuō)螺栓擰緊的目的是產(chǎn)生壓緊力，盡量發(fā)揮螺栓的性能來(lái)提高利用率，從而減小所聯(lián)接結(jié)構(gòu)的尺寸，但是如何才能知道所擰緊的螺栓是否達(dá)到了所要求的壓緊力值呢？通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段可以實(shí)現(xiàn)壓緊力的測(cè)量，但是在生產(chǎn)中直接進(jìn)行

7、壓緊力的測(cè)量是不可能的，也是不現(xiàn)實(shí)現(xiàn)的，所以只有通過(guò)間接的方法獲得，在下面這張表中列出了各項(xiàng)擰緊參數(shù)的可測(cè)量情況。測(cè)量項(xiàng)目可測(cè)性在緊固中在緊回后壓緊力不可測(cè)可測(cè)但費(fèi)用高力矩可測(cè)不可測(cè)角位移可測(cè)不可測(cè)時(shí)間可測(cè)不可測(cè)螺栓伸長(zhǎng)量可測(cè)但費(fèi)用高可測(cè)但費(fèi)用高磨擦系數(shù)不可測(cè)不可測(cè)從上表中可以看出實(shí)際上可以方便測(cè)量的只有扭矩和角位移，所以在汽車中裝配生產(chǎn)中多數(shù)測(cè)量這兩個(gè)參數(shù)，除非在實(shí)驗(yàn)室中出于實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩鴾y(cè)量其它參數(shù)。幾種常見(jiàn)的擰緊方式，見(jiàn)下表：裝配方式控制方式說(shuō)明力矩法用定扭矩扳手?jǐn)Q緊到一定的力矩后停止缺點(diǎn)是接觸面的磨擦系數(shù)及材料彈性系數(shù)對(duì)力矩值影響較大。力矩轉(zhuǎn)角法(TA法)先將螺母擰緊至一定起始力矩（消除結(jié)

8、合面間隙）再將螺栓（母）轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度后停止由于起始力矩較小，磨擦系數(shù)影響也較小。精度高，但需要計(jì)算起始力矩和轉(zhuǎn)角二個(gè)參量?？尚翉椥苑秶鷥?nèi)也可旋至屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)法擰緊時(shí)連續(xù)監(jiān)控力矩轉(zhuǎn)角曲線的斜率（即力矩速率）的變化。如果該斜率突然下降，則說(shuō)明已到達(dá)屈服點(diǎn)，立即停止擰緊。精度主要取決于緊固件的屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度越大精度越高。不受磨擦系數(shù)的影響。缺點(diǎn)是對(duì)材質(zhì)的要求較高。螺栓伸長(zhǎng)法在彈性范圍內(nèi)測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)量不易測(cè)量超聲波法利用超聲波回聲頻率來(lái)檢測(cè)螺栓內(nèi)部的變化情況直至屈服生產(chǎn)線很少使用，在日本有應(yīng)用24G22D4缸蓋螺栓TA法計(jì)算實(shí)例：2.1已知條件：(見(jiàn)圖3和下面數(shù)據(jù))缸螺螺栓M10×1螺

9、紋內(nèi)徑：d1=8.92 (mm)螺紋中徑：d2=9.35 (mm)螺栓光桿部分直徑：d3=8.7 (mm)螺栓光桿部分長(zhǎng)度：L1=63 (mm)缸蓋螺栓光孔直徑：Di=11 (mm) 圖3蓋厚：L1=65 (mm) 鋁工件彈性模量：E鋁=74556 (N/mm2)鋼工件彈性模量：E鋼=206000 (N/mm2)螺栓彈性模量：E螺栓=206000 (N/mm2 )螺栓屈服點(diǎn)：s=900 (N/mm2)墊片或法蘭面外徑：De=19.5 (mm)氣缸墊安裝前厚度：L前=1.4 (mm)氣缸墊安裝后厚度：L后=1.25 (mm)2.2.計(jì)算步驟如下：2.2.1計(jì)算螺栓能承受的預(yù)應(yīng)力F：F=s

10、3;S1,其中S1為螺栓的最薄弱處，也就是截面直徑最小處。S1=F=s·S1=s·=900×=53475(N)2.2.2.計(jì)算總彈性變形總量：L= （其中螺栓平墊變形不計(jì)，其它各變形量如下） =其中S2為缸蓋承壓面, S2=203.5(mm2)L缸蓋=65×53475/(74556×203.5)=0.229(mm) L氣缸墊=L前L后=1.4-1.25=0.15(mm) L螺栓=+=0.349(mm) 總彈性變形量：L=L缸蓋+L氣缸墊+L螺栓=0.229+0.15+0.349=0.728(mm)2.2.3.計(jì)算預(yù)緊力P對(duì)應(yīng)的總轉(zhuǎn)角：=

11、5;360°=0.728×360°=262°式中螺距p=12.2.4.設(shè)初始力矩TS，并按公式計(jì)算預(yù)應(yīng)力P0： 將TS和 P0代入公式得，TS=P0（0.161p+0.585 d2*S+0.5* C Dk） 螺栓頭或螺母與被聯(lián)接件接觸面的平均直徑Dk=（De+ Di）/2=(19.5+11)/2=15.25(mm) 根據(jù)常規(guī)資料設(shè)初始力矩TS=25(N·m), S =C=取最大與最小值max=0.2; min=0.1 將各數(shù)代入公式：P0max= 1000TS/（0.161p2+0.585 d2*S+0.5* C Dk）=1000×2

12、5/（0.161×1+0.585×9.35×0.1+0.5×0.1×15.25=17001(N)P0min=1000TS/（0.161p+0.585 d2*S+0.5* C Dk）=1000×25/（0.161×12+0.585×9.35×0.2+0.5×0.2×15.25=8992(N)2.2.5.計(jì)算剩余預(yù)緊力P：P=P-P0P max = P-P0min=53475-8992=44483(N)P min = P-P0 max =53475-17001=36474(N)2.2.6.

13、計(jì)算剩余預(yù)緊力P對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角：max =×=×262°=218°min =×=×262°=179°2.2.7.最終力矩轉(zhuǎn)角分配方案:TS+：取180°。由于在缸蓋螺栓擰緊過(guò)程中要求用力均勻,將180°拆分為90°+90°。故最終力矩分配方案： 25N·m+90°+90°在實(shí)際應(yīng)用中，我們采用24N·m+90°+90°的方案經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)無(wú)松脫現(xiàn)象發(fā)生。因?yàn)楣钪档拇嬖?，所以認(rèn)為理論計(jì)算是準(zhǔn)確的。3.校驗(yàn)在實(shí)際生產(chǎn)中

14、為了判斷某些螺紋聯(lián)接件的連接質(zhì)量，通常要對(duì)螺紋緊固件的擰緊進(jìn)行檢查。傳統(tǒng)的檢查方法是在螺紋緊固后再用能連續(xù)顯示力矩值的指針式或數(shù)顯式扭矩扳手進(jìn)行檢驗(yàn)。一般認(rèn)為，檢查所得扭矩與實(shí)際裝配扭矩之間有一定的統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)關(guān)系，在某種程度上反映出緊固件在實(shí)際裝配時(shí)扭矩控制狀況。但對(duì)不同的檢查方法，所得的對(duì)應(yīng)關(guān)系也不同。下面就這幾種方法簡(jiǎn)要說(shuō)明：復(fù)位法：其又稱劃線法、轉(zhuǎn)角法。就是在被緊固件和緊固件（螺栓或螺母）表面上對(duì)應(yīng)著劃上標(biāo)記線確認(rèn)相互間的原始位置，然后旋松。將已旋松的緊固件用指針式或數(shù)顯式扭矩扳手?jǐn)Q緊到標(biāo)記線對(duì)齊的原始位置，此時(shí)力矩便是擰緊的檢測(cè)力矩也就是螺栓的擰緊力矩。松開(kāi)法：用能保持峰值的指針式或數(shù)顯

15、式扭矩扳手將螺栓向緊固方向的反方向松開(kāi)，此時(shí)的最大顯式扭矩即是螺栓的擰緊力矩。二次擰緊法：又稱擰緊法，其過(guò)程如圖4，就是在檢驗(yàn)操作時(shí)，用力平穩(wěn)的逐漸增加扳手力矩，切忌沖擊。當(dāng)扳手扭緊到螺栓（螺母）剛剛轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，因要克服靜磨擦力，力矩瞬間增高至Ts，但這不是螺栓的真正扭矩。扳手連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩回落到短暫穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，此時(shí)力矩Td即為螺栓擰緊力矩，然而“短暫穩(wěn)定狀態(tài)”很難準(zhǔn)確把握。力矩TsTd 時(shí)間 圖4以上三種方法中“復(fù)位法”操作繁瑣，但多次測(cè)量所取平均值與實(shí)際裝配扭矩相當(dāng) ；“松開(kāi)法”所測(cè)力矩常小于實(shí)際裝配扭矩，且需要再次將已松開(kāi)工件擰緊；“擰緊法” 所測(cè)力矩常大于實(shí)際裝配扭矩但操作簡(jiǎn)易，故常用在生產(chǎn)中。這三種方法所測(cè)扭矩都不能準(zhǔn)確反映真正的裝配