發動機連桿螺栓自動擰緊機應用研究

摘要: 發動機連桿螺栓的擰緊力矩是發動機總成裝配的關鍵力矩，它直接影響到發動機的性能。我公司自引進阿特拉斯(ATLAS)力矩擰緊機后，按著設計所最初給定的參數，發動機在試車中經常出現瓦響故障，為解決這一質量問題，對連桿螺栓的擰緊進行試驗研究，分析認為采用的擰緊方法及擰緊工藝參數不合理，造成預緊力離散度較大，本文重點論述擰緊工藝參數的選擇和優化。

關鍵詞: 自動力矩擰緊機;扭矩-轉角法;連桿螺栓

一、 DA465Q連桿螺栓情況

連桿總成是發動機的重要部件，而連桿螺栓緊固力矩是發動機總成裝配的關鍵力矩，它的好壞直接影響著發動機的質量。

DA465Q發動機額定轉速為6000r/min，即單缸連桿每分鐘要承受12000次交變負荷，圖紙規定的連桿螺栓力矩為35～40Nm。在如此高頻次的工作條件下，保證連桿擰緊力矩的現實意義是不言而喻的。

DA465Q連桿螺栓的材料為40CrNiMOA屬優質合金鋼，采用敦制成型，螺紋是在熱處理后滾制，硬度要求為HRC37-42，探傷無裂紋，滿足性能要求，

本文研究的對象就是M7×0.75細牙螺紋連桿螺栓。

二、發動機擰緊方式的選擇

過去我公司曾長時間的使用扭矩法(一次擰緊)，而該方法間接地控制預緊力，由于受螺栓或螺母螺紋面摩擦力、擰緊工具精度以及操作者的影響，預緊力離散度很大，可高達±40%。摩擦系數f大時，達到規定擰緊力矩而保證不了最小預緊力，會影響發動機的可靠性，發動機試車時常表現出瓦響;當摩擦系數f過小時，按規定力矩擰緊時，可能超過螺栓的屈服點，發生螺栓變形、斷裂、螺紋擼扣、座面凹陷等質量問題。所以這種方法的控制精度較差。

利用阿特拉斯(ATLAS)力矩擰緊機采用扭矩-轉角法擰緊是否可行，通過下面的分析就可以得出結論。

如圖2.1所示，圖中的兩條曲線分別為兩個螺栓的扭矩-預緊力對應關系，其中AB和A'B'的斜率不同，是由于兩螺栓的摩擦系數不同引起的，假設螺栓1為正常螺栓，那么螺栓2就是摩擦系數較大的壞螺栓。

如果只用力矩法擰緊，擰緊力矩為M0，那么好壞螺栓的預緊力差為(P1-P2)。如果先用力矩法將貼合力矩擰緊至C和C'點，在轉過一個轉角α，假設對于好螺栓1來說，擰過轉角α后仍到達D點，對應的預緊力仍為P1，那么螺栓2在轉過α角后力矩將達到M0'，螺栓對應的預緊力將為P2'。很顯然，(P1-P2)> (P1-P2')，也就是說，使用扭矩-轉角法是可以在忽略摩擦系數的影響下較為精確地控制預緊力的，所以在使用自動力矩擰緊機后采用此法是可行的。

三、扭矩-轉角法參數選擇及優化

連桿螺栓的力矩值是由貼緊點力矩和連桿螺母擰過的角度決定的，選擇好這兩個參數并進行優化是本節討論的重點。

3.1參數選擇的方法

假設所要達到的連桿螺栓力矩值為M0，而貼緊點力矩值為M1，擰緊角度為α，由角度產生的力矩系數為A，則M0是由M1和擰緊角度α兩部分決定的，即M0=M1+Aα。選擇參數就是如何分配M1和α。由于螺紋和連桿加工質量的影響，如果M1設置較小，當力矩擰緊機達到M1時，螺紋未必真正達到貼緊點，之后再轉過設置的角度α，這時擰緊力矩顯然達不到M0，也就是說最終力矩的離散性仍然很大。現公司所使用的連桿螺栓加工精度不是很高，為了克服由此帶來的影響必須增大貼緊點力矩M1，使在進行轉角之前螺栓切實達到貼緊點。由上面M1、M0和α的關系可知，若M0為一常數，M1增大，α則需減小，擰緊角度減小，可使螺栓擰緊力矩的離散性減小。

另一方面，由于各結合面的摩擦系數不盡相同，因此，各貼緊點便不同，如圖2.1所示，當貼緊點力矩較小時(但必須超過A點)，產生的預緊力偏差△P相對較小，這就又要求在選擇貼緊點時應盡可能地選擇較小的貼緊點力矩值，然后，再加上一定的轉角。但在實際生產中，應平衡好這對矛盾，合理選擇，應充分考慮滿足最終擰緊力矩的要求。

綜上所述，所選擇的貼緊點既不能太大，也不能太小，應選擇適當貼緊點力矩值再加上一定的轉角，能夠保證絕大多數的螺栓在真正貼緊之后再加固定的轉角擰緊，確保最終預緊力滿足要求。

3.2參數試驗及分析

基于以上的分析，結合設計所提供的參數，在力矩擰緊機上進行了如下三組試驗:

1)、M1=17.5Nm α=40 報警力矩下限是25Nm (設計提供)如圖3.1

2)、M1=17.5Nmα=45° 報警力矩下限是25Nm如圖3.2

3)、M1=20Nmα=37° 報警力矩下限是27Nm如圖3.3

每組參數采樣240個數據，試驗結果作圖如下:

從圖3.1可以看出:在報警力矩值下限25Nm以下的有3個，報警力矩值45Nm以上的有2個，中值為34-37Nm。從圖3.2中可以看出:在報警力矩值下限25Nm以下的有2個，而報警力矩值45Nm以上的有6個，中值為37-40Nm，與圖3.3相比，中值偏高3Nm，離散度偏大，曲線嚴重偏態。

將圖3.3中的情況與上兩種情況相對比。在圖中，在報警力矩值27Nm以下的沒有，按著裝配要求，比以上兩種情況均有所改善，中值為37-40Nm，與圖3.2中的數值相等，而中值數量為108個，可以看出力矩值的離散性較前兩種情況都好，并且超過報警力矩45Nm以上的只有1個。

從圖的分析可以看出:

1)、力矩擰緊機的最終輸出的預緊力是由貼緊點力矩和擰緊轉角決定的，貼緊點力矩和擰緊轉角的改變可以改變預緊力的大小和力矩的離散性。

2)、當貼緊點的力矩值選擇在17.5Nm時，無論轉角是40°，還是45°，均存在低于報警下限值以下的情況，結果表明，在此力矩下的離散性較大，這是在生產實際中不希望出現的情況。

3)、當把貼緊點的力矩值選擇在20Nm時，在加上37°的轉角，低于報警下限值的沒有，且離散性較小。

四、總結

本文以發動機連桿螺栓的擰緊為例，介紹連桿螺栓自動擰緊機在我公司的應用研究。通過對連桿螺栓的擰緊進行試驗研究得出結論:

1、采用扭矩-轉角法，連桿螺栓的力矩值是由貼緊點力矩和連桿螺母擰過的角度決定的，即M0=M1+Aα。

2、連桿螺栓擰緊采用扭矩-轉角法優于扭矩法和二次擰緊法，其最佳的擰緊參數為20Nm+37°。