發動機油道堵塞靜態扭矩提升的調查研究

王露濤，甘偉武，梁 軍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

某發動機罩蓋使用油道堵塞（簡稱油堵）對其機加工油道工藝孔進行密封，油堵螺紋規格為M12，油堵裝配前預先壓裝墊片。密封帶是油堵墊片與罩蓋油堵安裝面貼合形成，穩定的密封所需要的力是來自于油堵螺紋連接中的夾緊力，然而在實際大批量生產過程中，目前還沒有實際可行的方法準確測量螺栓夾緊力，因此只能通過控制裝配扭矩間接控制螺栓夾緊力[1]。目前油堵裝配時使用的擰緊控制策略為扭矩法，即擰緊停止條件：扭矩≥目標扭矩[2]，油堵裝配使用擰緊設備自動擰緊工藝。油堵裝配的靜態扭矩經過一段時間后會出現不同程度的衰減，當衰減到一定程度會引起油堵密封不良，產生泄漏。因此，對油堵裝配工藝及擰緊系統中各參數進行研究，試圖通過實驗，找出油堵擰緊系統中各擰緊參數不同水平的最優組合，從而獲得最佳的靜態扭矩，其中可以通過24h 后靜態扭矩來較好的衡量。因此，24h 后靜態扭矩作為本次研究的主要指標。該油堵裝配工藝如圖1所示。

圖1 油堵裝配工藝

擰緊系統中主要的參數如下：罩蓋油堵孔安裝面粗糙度Ra1.4，油堵墊片為平面，輪廓度要求0.15。擰緊力矩：34N·m（標準要求35±5N.m），擰緊速度15r/min。擰緊參數可實時監控。

1 因子分析試驗

1.1 因子分析試驗方案

根據螺栓類擰緊系統的擰緊原理，該油堵擰緊系統影響24h靜態扭矩的主要參數為擰緊力矩、擰緊速度、墊片角度，墊片角度示意圖如圖2所示。

圖2 油堵墊片角度示意圖

每個因子（參數）對24h 靜態扭矩的影響具體如何還不清楚，故安排因子分析試驗進行研究；另外，涂螺紋密封膠可能對24h靜態扭矩有影響，故增加一組油堵涂膠試驗。試驗方案如表1所示。

表1 分析因子試驗方案

1.2 因子分析試驗結果及分析

收集因子分析試驗的24h 后靜態扭矩的數據，用箱線圖進行分析，如圖3 所示。從圖3 中可以看出，因子墊片角度2°，24h 后靜態扭矩好于對照組（正常狀態），說明墊片角度在一定范圍內增大可以提升靜態扭矩；因子擰緊力矩37 N·m，24h后靜態扭矩數據與對照組數據差異不明顯，說明對靜態扭矩的提升無顯著作用；因子擰緊速度35r/min，24h 后靜態扭矩衰減明顯，說明擰緊速度加快不利于24h 靜態扭矩的提升；因子膠LT648，24h 后靜態扭矩數據好于對照組，說明可以考慮增加使用螺紋密封膠LT648 來提升扭矩；因子膠HT7243，24h后靜態扭矩數據與對照組數據差異不明顯，說明對靜態扭矩的提升無顯著作用。

圖3 因子分析試驗24h 后靜態扭矩的箱線圖

2 DOE試驗

2.1 DOE試驗方案

因子分析試驗的結果中，因子擰緊力矩37N·m 的數據比較異常，按螺栓類擰緊系統的經驗數據，擰緊扭矩的增大會有利于靜態扭矩的提升。分析認為，因子擰緊力矩試驗時扭矩的增加量可能還不夠，使靜態扭矩結果變化不明顯，也可能擰緊力矩與其他因子存在交互作用。另外，擰緊系統中，各因子間也可能存在交互作用。為了研究各因子在什么水平（因子的取值）時可以獲得最佳的24h后靜態扭矩，于是，對擰緊系統中各因子進行一輪DOE試驗[3-4]。DOE試驗共考察4 個因子，分別為墊片角度、安裝面粗糙度、擰緊力矩、擰緊速度，故設計為4 因子的全因子并安排4 個中心點的20（24+4）次的全因子試驗。試驗方案如表2所示。

表2 DOE 試驗方案

2.2 DOE試驗結果及分析

根據DOE 試驗的結果數據，建立擬合模型進行分析，模型中只包含主效應和二階交互作用項。分析得出，模型中效應顯著，如圖4 所示，從圖中可以看出，因子油堵安裝面粗糙度顯著，油堵墊片角度與擰緊速度、油堵墊片角度與擰緊扭矩、擰緊速度與擰緊扭矩三項交互作用顯著。

圖4 因子正態效應圖

從圖5可以看出因子安裝面粗糙度對24h后靜態扭矩的影響是顯著的。其他幾個因子是不顯著的。從圖6 可以看出油堵墊片角度與擰緊速度、油堵墊片角度與擰緊扭矩、擰緊速度與擰緊扭矩三項交互作用對于響應變量24h 后靜態扭矩的影響確實是顯著的（兩條線非常不平行），而其他交互作用對于響應變量24h后靜態扭矩的影響是不顯著的。

圖5 各因子的主效應圖

圖6 各因子間的交互效應圖

生成響應變量曲面圖如圖7所示，為使響應變量24h后靜態扭矩取值更大，在因子油堵墊片角度取小角度、因子擰緊扭矩取低扭矩值可以獲得，或在因子油堵墊片角度取大角度、因子擰緊扭矩取高扭矩值時可以獲得。但具體各因子在什么水平時可以獲得最優解還不明確。于是，對數據及模型進行響應優化分析。經過分析，響應變量得到最大值計算結果如圖8所示。結果顯示，當油堵墊片角度取5°、油堵安裝面粗糙度取Ra0.8、擰緊速度為20r/min、擰緊扭矩為38N·m 時，可以使24h 靜態扭矩獲得最大值。根據此模型，在新設計點處對24h靜態扭矩進行預測，均值的95%置信區間為（29.706 2,31.409 5），單值的95%預測區間為（29.070 3,32.045 5）。預測值較對照組數據提高了。

圖7 響應變量曲面圖

圖8 響應變量優化器輸出結果圖

3 擴大驗證試驗

根據因子分析試驗和DOE 試驗的結果，為了分析油堵擰緊系統中因子水平的最優組合是否可以穩定提升24h 后靜態扭矩，進行擴大驗證試驗[4]。試驗方案為：油堵墊片角度取5°、油堵安裝面粗糙度取Ra0.8、擰緊速度為20r/min、擰緊扭矩為38N·m、膠使用LT648 膠，連續生產，取大于125個樣本。試驗結果如圖9所示。

圖9 擴大試驗結果的過程能力圖

從圖中可以看出，2 4 h 靜態扭矩已提升至均值為37.36N·m，過程能力CPK=1.0。較對照組（正常狀態均值為26N·m）提升效果顯著。

4 結論

1）因子安裝面粗糙度的主效應對響應變量24h 后靜態扭矩的影響是顯著的，在工藝要求范圍內粗糙度越低，靜態扭矩衰減越小。

2）因子油堵墊片角度、擰緊速度、擰緊力矩的主效應對響應變量24h后靜態扭矩的影響不顯著，但油堵墊片角度與擰緊速度、油堵墊片角度與擰緊扭矩、擰緊速度與擰緊扭矩三項交互作用對于響應變量24h 后靜態扭矩的影響是顯著的。

3）螺紋密封膠的使用，可以減小24h后靜態扭矩的衰減。

4）通過DOE 實驗，可以找出油堵擰緊系統中因子各水平的最優組合，且該最優組合可以穩定提升24h后靜態扭矩。