高精擰緊工具在發動機裝配中的應用

覃尚第，謝斌明

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 發動機制造部設備管理科，廣西 柳州 545007）

發動機螺栓的擰緊力矩，是發動機總成裝配的關鍵力矩，其直接影響到發動機的性能。廣泛應用于全球領先的工業生產解決方案供應商阿特拉斯·科普柯集團工具，其擰緊機的最高等級，可達100 萬次，擰緊后的測試精度，仍然保持在±2.5%范圍內，測試結果是基于聯合測試方式，其硬連接為30°，軟連接720°。

本文主要介紹ATLAS 擰緊工具擰緊方式的改進及其在發動機裝配中的應用。

1 ATLAS 擰緊工具基本擰緊技術

1.1 裝配過程最基本的要求

（1）提供足夠的殘余預緊力以克服所有可能的外力；

（2）確保裝配過程中螺栓不會被損壞；

（3）檢測并指示產品和過程錯誤；

（4）為保證品質，系統提供裝配過程的信息和數據。

1.2 夾緊力的數學模型

考慮如下參數，建立一個簡單的數學模型（如圖1）。

圖1 夾緊力的數學模型示意圖

（1）螺栓連接特性。如圖2、圖3 所示。

圖2 螺拴夾緊力與角度線性圖

圖3 扭矩與角度線性圖

夾緊力在貼合后，隨著角度線性增長，可以描述為：

夾緊力F=k×A。

k 是force rate（力率、力比），定義為dF/dA；

A 是角度，表示螺栓轉過的角度；

k 對一個給定的設計來說，主要與幾何公差有關。

（2）軸向力－扭矩的關系。夾緊力F 通過螺拴頭下摩擦、螺距和螺紋副摩擦轉化為扭矩，公式如下：

Torque=F(p/2π+（μtrt）/cos β+μnrn)

其中，

Torque 為扭矩T；

F 為螺栓受力；

p/2π 表示這部分螺紋受力拉伸，p 為螺紋拉伸程度；

（μtrt）/ cos β 表示這部分需要克服螺紋摩擦力，μt為螺紋摩擦力，rt為螺紋有效半徑；

μnrn表示這部分需要克服螺母貼合面摩擦力，μn為螺母摩擦力，rn為螺母有效半徑。

（3）螺栓連接模型－塑性變形階段。如圖4所示。

圖4 螺栓連接的夾緊力、扭矩與角度塑性變形曲線圖

當螺栓擰緊時，軸向力和扭轉力最終共同作用到螺栓上，直至螺栓發生屈服變形，即螺栓出現了永久的伸長變形，擰緊后可以測量出來（如圖5 所示）。

圖5 螺栓作用力分布圖

這種永久變形，其最開始出現在螺栓體最外圈，然后逐步向內圈擴展。如果某處的應力超過了材料極限，螺栓就會開始斷裂（如圖6 所示）。

圖6 螺栓擰緊示意圖

（4）螺栓連接模型－彈性變形階段。如圖7 所示。彈性階段的夾緊力范圍，主要與材料的屈服點有關，與連接的軟硬程序及摩擦系數有些許關系。

圖7 彈性變形曲線圖

對高強度等級的材料，力率會有一個明顯的下降，即曲線變平。而對低強度等級的材料，這個趨勢并不明顯。最終螺栓都會斷裂。從屈服點開始到螺栓斷裂轉過的角度，與夾緊長度關系非常大，一般來說是在幾百度的范圍內。

1.3 擰緊方法的分類

ATLAS 擰緊工具擰緊方法的分類——按工具控制方式分有兩類：

一是，基于扭矩或角度的方式。其中，在彈性范圍內的，有扭矩控制，角度控制，連接控制；超出彈性范圍的，有角度控制，梯度（扭矩變化率）控制，即屈服點控制；

二是，其他方式。超聲波和機械測試伸長量控制。

（1）扭矩控制（如圖8 所示）。扭矩控制方式，利用的是人們熟知的扭矩與張緊力之間的關系公式。扭矩控制方式在出現最大摩擦系數和最小力率（Force Rate）時，提供最小的夾緊力，反之亦然。

圖8 扭矩與夾緊力示意圖

扭矩控制方式的優勢是：容易實現不同精度等級的控制，從±25%的脈沖型工具到±1%的擰緊軸工具，巨量的產品和過程設計的標準數據歷史悠久，設備的有效性校驗過程非常容易。

劣勢是：夾緊力的精度很差，可能到±60%，受摩擦系數影響大，沒有根本辦法防止螺拴斷裂。以上兩個原因，導致螺栓能力利用率低，約為- 60%。

（2）彈性區域角度控制（如圖10）。彈性區域內的角度控制，避免了的摩擦系數大范圍變動對夾緊力的影響。其通過控制轉角來擰緊，利用了力率變動較小的優勢。

圖9 擰緊規范

圖10 彈性區域角度控制示意圖

彈性區域角度控制優勢是：相對容易實現，過程和產品的有效性相對容易檢查，現場維修的成本和精度可以接受，螺栓利用率得到大大提高。

其劣勢是：標準的擰緊規范，通常不能直接使用，必須做一些連接分析、實驗室分析工作，無法使用扭力扳手復緊來校驗，工具同時需要扭矩和角度測量能力。

（3）塑性區域角度控制。將螺栓擰過屈服點以上的塑性區域，最大限度地利用螺栓材料本身強度的屈服點，穩定軸向預緊力，提高螺栓的疲勞性能。

圖11 塑性區域角度控制示意圖

塑性區域角度控制的優勢是：摩擦力影響降到最低，最大程度上利用螺栓的能力。

其劣勢是：生產條件下檢驗工具性能很困難，設置和校驗產品參數的費用較高，螺栓一般無法重復使用。

（4）梯度（扭矩變化率）控制、屈服點控制。通過對扭矩- 轉角曲線斜率的連續計算和判斷計算屈服點的，就是說在擰緊過程中，需要測量螺栓自然長度，在擰緊過程中螺栓受到監控，針對每個螺栓，并在最大梯度下降時，判斷其最大梯度和屈服點。

圖12 梯度控制與屈服點控制示意圖

梯度（扭矩變化率）控制、屈服點控制的優勢是：螺栓進入塑性階段一個小角度，最大程度利用螺栓的能力；螺栓可以重復利用幾次；夾緊力精度很高，擰緊效果不受彈性系數即力率Force Rate K 的影響。當需要用許多螺栓固定的情況下，如氣缸蓋，在設計上有時需要對不同位置使用不同螺栓，彈性系數不同，但這只影響屈服點的角度，夾緊力最大值總是在屈服點附近。

其劣勢是：需要做連接分析和實驗室工作，過程的檢驗困難，擰緊、修復螺栓比較困難，設備昂貴。

2 擰緊方式的具體應用

2.1 擰緊基本策略

某工廠發動機總成裝配，目前擁有手持式擰緊槍60 多把，擰緊軸90 條。手持式工具大多采用兩步擰緊策略（扭矩控制角度監控方式），其夾緊力精度很高，擰緊效果不受彈性系數（即力率Force Rate K）的影響。當需要用許多螺栓緊固的情況下，如進氣歧管螺栓，在設計上，有時需要對不同位置使用不同螺栓，彈性系數不同，但這只影響屈服點的角度，夾緊力最大值總是在屈服點附近（如圖13）。

圖13 扭矩控制角度監控方式

擰緊軸則根據螺栓的特性，選擇不同的擰緊方式，如缸蓋螺栓擰緊方式：

采用先擰緊4 500°→擰緊到10 N·m →擰緊到49 N·m→返松1 440°→擰緊到10 N·m→擰緊到23 N·m →角度擰緊82°，整個過程采用同步擰緊和最終扭矩和角度的檢查，程序如圖14 所示。

圖14 同步擰緊和最終扭矩和角度檢查方式

2.2 品質問題解決案例

（1）發動機連桿螺栓滑牙問題。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，其好壞直接影響著發動機的品質。在連桿螺栓的擰緊過程中，出現了數次螺栓靜態扭力在合格范圍內，但需要重復擰緊導致螺栓滑牙，使連桿報廢。連桿的擰緊程序如圖15 所示，先同步擰緊到10 N·m，然后擰緊到33 N·m。

由擰緊曲線圖可以跟蹤分析得出，部分螺栓由于螺紋副或者螺栓的批次的不同，在擰緊過程所受的摩擦力不同，連桿螺栓在同步擰緊到10 N·m 過程中，部分螺栓一開始的扭力就達到了12 N·m 左右，而從10 N·m 擰緊到33 N·m 過程中，螺栓克服了螺紋副的摩擦力，扭力迅速降低到10 N·m 以下，再繼續進行擰緊到33 N·m，最終結果不合格，需要返松螺栓再進行擰緊，螺栓的重復擰緊，造成螺栓滑牙斷裂，連桿報廢。

圖15 發動機連桿螺栓擰緊程序

ATLAS 的擰緊軟件，可以準確地跟蹤螺栓的整個擰緊過程，針對此問題，對擰緊方式做了改進。

增加了同步擰緊到20 N·m，并在此步驟進行檢查，需要在16～24 N·m 之間才為合格，并將擰緊斜率由300 r/min 提高至400 r/min，改進后螺栓擰緊合格率明顯提高，連桿的報廢率大大降低，問題得到解決。

改進程序如圖16 所示。

圖16 修改后的發動機連桿螺栓擰緊程序

（2）排氣歧管雙頭螺柱擰緊不合格問題。發動機排氣歧管雙頭螺栓，使用是手持式電槍擰緊，其材料為自鎖銅螺母，在生產過程中，出現了較頻繁的螺母擰緊不合格現象，導致螺母報廢率很高，擰緊目標扭矩（22±4）N·m，采用兩步擰緊，先到17 N·m，再到22 N·m。

程序如圖17 所示。

圖17 發動機排氣歧管雙頭螺栓擰緊程序

銅螺母材質較軟，容易變形，螺母副的摩擦力較大，由擰緊軟件的曲線圖跟蹤分析得到：第一步中扭矩大多都到了20 N·m，這比第一步扭矩13 N·m 大出了7 N·m 之多，這是導致螺母擰緊不合格的要因。

根據螺栓擰緊特性和曲線圖的追蹤得出，螺母從開始擰緊到達15 N·m 之間旋轉的角度約為2 000°，于是對擰緊方式進行改進，將程序改進使用快步擰緊，啟用高速運轉，啟動電槍先高速運轉到2 000°，再進行到22 N·m，這樣可以將自鎖螺母的螺母副過大摩擦力消除，提高了合格率，減少了零件的報廢。

改進程序如圖18 所示。

圖18 修改后的發動機排氣歧管雙頭螺栓擰緊程序

（3）發動機飛輪螺栓存在扭矩過大，且不穩定的問題。飛輪是轉動慣量很大的盤形零件，其作用如同一個能量存儲器。在做功行程中，發動機傳輸給曲軸的能量，除對外傳輸外，還有部分能量被飛輪吸收，從而使曲軸的轉速不會升高很多。在排氣﹑進氣和壓縮這3個行程中，飛輪將其存儲的能量放出來，補償這3個行程所消耗的功，從而使曲軸轉速不致降低太快。

另外，飛輪是摩擦式離合器的主動件，在飛輪輪緣上鑲嵌有供起動發動機用的飛輪齒圈等。飛輪的品質問題，對發動機是重中之重，飛輪的螺栓良好擰緊，是飛輪關鍵性工序。

在飛輪螺栓擰緊過程中，采用3個擰緊軸同時擰緊，分兩組完成。工作過程出現了階段性的飛輪螺栓扭力不穩定，擰緊軸發熱過大，靜態扭矩經常超出要求范圍等情況，經過檢查飛輪和螺栓，都無品質問題，于是在工具上重新做了標定，標定結果，3個擰緊軸精度都在1%合格范圍內，更換了擰緊軸、線纜﹑對換控制器等，都無明顯的改善。由擰緊曲線圖對螺栓進行擰緊分析，如圖19 所示。

圖19 發動機飛輪螺栓擰緊曲線

圖中為3個螺栓擰緊過程的曲線圖。

由曲線圖可以看出：有一個螺栓的擰緊，與其他兩顆螺栓曲線圖存在差異，時間上滯后了約40 ms。根據螺栓特性可知，后達到扭矩的螺栓，所擰緊的硬度，要比其他兩顆擰緊的硬度要大，而硬連接的靜態扭矩抽檢是會偏大，因此會出現只要3 顆螺栓擰緊過程出現不同步問題，就可能出現其中某個螺栓的靜態扭矩偏大。

針對問題判斷出，經常出現扭矩偏大的，為同一個擰緊軸所擰緊。于是對控制器進行更換，并對3個擰緊槍的控制器版本進行重新刷新，升級至同一版本。實施措施后，跟蹤擰緊結果，曲線圖如圖20 所示，問題得到了解決。

3 結束語

圖20 更換控制器后的發動機飛輪螺栓擰緊曲線

運用高精度的擰緊工具進行發動機的裝配，同時熟悉擰緊基本理論及擰緊工具的工作原理，根據不同的工藝要求和零件材料特性，選用不同的擰緊方式，提高發動機裝配品質；通過觀察擰緊曲線，可以發現擰緊過程中出現問題的原因，從而解決發動機裝配中的螺栓擰緊問題。

[1]張甫生. 采用屈服點擰緊發的螺栓聯接計算方法[J]. 機械設計，1989，（2）：30-34.