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，擰緊方法,同時(shí)舉例說明XG4G22D4發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓TA擰緊法的計(jì)算，最后簡要介紹螺栓擰緊的檢測方法。文章對汽車裝配生產(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。隨著近年來汽車工業(yè)的迅速

2、發(fā)展，人們對生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，對螺栓擰緊工藝也更加重視。本文將對發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊方法作以分析。1.有關(guān)擰緊的基本知識：1.1.擰緊過程：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)螺栓對工件沒有壓緊力，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)，開始產(chǎn)生壓緊力，真正擰緊已經(jīng)開始（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：把螺栓擰緊的過程就是通過在螺栓上施加力矩T來產(chǎn)生壓緊力F的過程。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d0六角螺母對邊寬度或墊片外徑p螺距但計(jì)算時(shí)對于普通螺紋（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，無論采用哪種公式來計(jì)算系數(shù)k值，最終的k值都需要用實(shí)驗(yàn)來修正之，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對應(yīng)的壓緊力F1遠(yuǎn)大于2對應(yīng)的壓緊力F2。可見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？通過實(shí)驗(yàn)手段可以實(shí)現(xiàn)壓緊力的測量，但是在生產(chǎn)中直接進(jìn)行

7、壓緊力的測量是不可能的，也是不現(xiàn)實(shí)現(xiàn)的，所以只有通過間接的方法獲得，在下面這張表中列出了各項(xiàng)擰緊參數(shù)的可測量情況。測量項(xiàng)目可測性在緊固中在緊回后壓緊力不可測可測但費(fèi)用高力矩可測不可測角位移可測不可測時(shí)間可測不可測螺栓伸長量可測但費(fèi)用高可測但費(fèi)用高磨擦系數(shù)不可測不可測從上表中可以看出實(shí)際上可以方便測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量其它參數(shù)。幾種常見的擰緊方式，見下表：裝配方式控制方式說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)是對材質(zhì)的要求較高。螺栓伸長法在彈性范圍內(nèi)測量螺栓伸長量不易測量超聲波法利用超聲波回聲頻率來檢測螺栓內(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。但對不同的檢查方法，所得的對應(yīng)關(guān)系也不同。下面就這幾種方法簡要說明：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)記線對齊的原始位置，此時(shí)力矩便是擰緊的檢測力矩也就是螺栓的擰緊力矩。松開法：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，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，但多次測量所取平均值與實(shí)際裝配扭矩相當(dāng) ；“松開法”所測力矩常小于實(shí)際裝配扭矩，且需要再次將已松開工件擰緊；“擰緊法” 所測力矩常大于實(shí)際裝配扭矩但操作簡易，故常用在生產(chǎn)中。這三種方法所測扭矩都不能準(zhǔn)確反映真正的裝配