汽車發(fā)動機(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)動機(jī)大約有300～500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………………………………… ①

k為扭矩系數(shù)，其計(jì)算公式為：

k=〔d₂·tg(β+ρ`)+（）〕…………..②

β—螺旋升角，其計(jì)算公式為：

β=arctg…………………………………………··.③

ρ＇—螺紋當(dāng)量磨擦角，其公式為：

ρ＇=arctg……………………………………………. ④

普通螺紋ρ＇= arctg1.155 u_S

梯形螺紋ρ＇= arctg1.035 u_S

矩形螺紋ρ＇= arctgu_S

u_S——螺紋副的靜摩擦系數(shù)，當(dāng)材料為鋼和鑄鐵時(shí)u_s=0.1～0.15

d₂—螺紋中徑

u_C——螺母與被聯(lián)接件支承孔面間的靜摩擦系數(shù)

d_w—被聯(lián)接件螺紋光孔直徑

d_0——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α=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②是一致的:

k=0.161p+0.585d_2*μ_S+0.5_*μ_CD_{k·············}⑤

D_k——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)μ。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)μ對壓緊力的影響。由于螺紋接觸面、螺母壓緊面的物理?xiàng)l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)μ的不同造成壓緊力不同的例子。

當(dāng)力矩同為T₀時(shí)，但μ₁對應(yīng)的壓緊力F₁遠(yuǎn)大于μ₂對應(yīng)的壓緊力F₂?？梢娫诩仁故怯孟嗤牧?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。

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：

2．4G22D4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：D_i=11 (mm)

蓋厚：L1=65mm

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)：［σs］=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=［σs］·S₁,其中S₁為螺栓的最薄弱處，也就是截面直徑最小處。S₁=

∴F=［σs］·S₁=［σs］·=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）

①=其中S₂為缸蓋承壓面,

②S₂===203.5(mm²)

∴△L_缸蓋=65×53475/(74556×203.5)=0.229(mm)

③△L_氣缸墊=L_前－L_后=1.4-1.25=0.15(mm)

④△L_螺栓=+=0.349(mm)

⑤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α：

α=×360°=0.728×360°=262°

式中螺距p=1

2.2.4.設(shè)初始力矩T_S，并按公式①③計(jì)算預(yù)應(yīng)力P₀：

①將T_S和P₀代入公式①③得，T_S=P₀（0.161p+0.585 d_2*μ_S+0.5_*μ_CD_k）

②螺栓頭或螺母與被聯(lián)接件接觸面的平均直徑D_k=（De+ D_i）/2=(19.5+11)/2=15.25(mm)

③根據(jù)常規(guī)資料設(shè)初始力矩T_S=25(N·m), μ_S=μ_C=μ取最大與最小值μ_max=0.2; μ_min=0.1

④將各數(shù)代入公式：

P_0max= 1000T_S/（0.161p²+0.585 d_2*μ_S+0.5_*μ_CD_k）=1000×25/（0.161×1+0.585×9.35×0.1+0.5×0.1×15.25=17001(N)

P_0min=1000T_S/（0.161p+0.585 d_2*μ_S+0.5_*μ_CD_k）=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ΔP：

ΔP=P-P₀

ΔP_max= P-P_0min=53475-8992=44483(N)

ΔP_min= P-P_{0 max}=53475-17001=36474(N)

2.2.6.計(jì)算剩余預(yù)緊力ΔP對應(yīng)的轉(zhuǎn)角α′：

α′_max=×α=×262°=218°

α′_min=×α=×262°=179°

2.2.7.最終力矩轉(zhuǎn)角分配方案:T_S+α′：α′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)動機(jī)可靠性試驗(yàn)無松脫現(xiàn)象發(fā)生。因?yàn)楣钪档拇嬖冢哉J(rèn)為理論計(jì)算是準(zhǔn)確的。

3.校驗(yàn)

在實(shí)際生產(chǎn)中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，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。

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)確反映真正的裝配力矩，是不科學(xué)的，只有在線裝配過程中所測的扭矩才能真實(shí)反映緊固件的準(zhǔn)確力矩，比如采用計(jì)算機(jī)電控技術(shù)的電動擰緊機(jī)則可實(shí)現(xiàn)在線檢測。此時(shí)只要保證擰緊機(jī)的擰緊精度則可保證裝配扭矩的準(zhǔn)確。對于擰緊機(jī)要使用校準(zhǔn)儀定期校準(zhǔn)，精度要滿足《汽車整車產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)評定方法》中規(guī)定的不大于±3%。

4.結(jié)束語：

從以上分析來看，在汽車生產(chǎn)線上采用“力矩---轉(zhuǎn)角”方式，并配以擰緊機(jī)操作既增加效率又能提高擰緊質(zhì)量，目前是發(fā)動機(jī)關(guān)鍵裝配部位的首選擰緊方式，如缸蓋、主軸承蓋、凸輪軸蓋、連桿瓦蓋等處。