柴油機飛輪螺栓擰緊工藝改進研究

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東韶關512005）

柴油機飛輪螺栓擰緊工藝改進研究

李璞，許慶華

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東韶關512005）

利用MC900瞬時記錄儀對一款2.8 L排量柴油發動機的飛輪螺栓擰緊軸向力進行測量，針對現有30 N·m＋90°的擰緊工藝出現軸向力不穩定的現狀，提出擰緊軸反轉消除螺栓接觸表面毛刺的“磨光”工藝改進方案.對比分析一次“磨光”和二次“磨光”試驗的效果，并對磨光時采用的力矩和轉角進行研究.試驗結果表明采用70 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°的二次磨光擰緊工藝對飛輪螺栓軸向力穩定的保證有明顯的改進.

柴油機；飛輪螺栓；擰緊；改進

螺栓連接是汽車和內燃機上最重要的連接方式之一，連接品質的好壞直接影響整機和整車的品質［1］.常用的螺栓連接方法有扭矩控制法和扭矩＋轉角控制法.扭矩控制法操作簡單，在發動機上應用于不太關鍵的連接部位.柴油機飛輪螺栓連接了發動機的曲軸和飛輪.其中飛輪更是需要將發動機的動力傳遞給變速箱，承受扭矩大，且數量多，裝配工藝要求高，為保證預緊力充足且分布均勻，通常采用扭矩＋轉角的裝配方法，即給裝配的螺栓施加一個起始扭矩，再旋轉一個角度，從而達到最佳和最大預緊力［2］.

由于螺栓連接中受接觸面摩擦、螺紋處摩擦、螺栓裝配緊固速度、螺紋形狀精度、擰緊工具等因素的影響，其預緊力偏差范圍較大，在±35%之間，生產中會出現達到預緊力要求，但扭矩過大，導致螺栓拉斷的現象，或者扭矩已到極限而預緊力不足［3］.對采用現有螺栓擰緊工藝擰緊的飛輪螺栓的軸向力進行檢測，發現不同批次的發動機軸向力并不能完全控制在要求范圍內.本文在現有螺栓擰緊工藝的基礎上對擰緊工藝進行改進，對比分析得出最優螺栓擰緊方案，以保證在實際批量生產中飛輪螺栓軸向力的穩定性.

1 擰緊工藝及試驗裝置

1.1 現有擰緊方案分析

采用一款2.8 L柴油發動機，根據試驗用發動機的飛輪螺栓設計要求，軸向力為88.5±6 kN；根據螺栓軸向力計算公式的計算和螺栓擰緊實踐經驗，飛輪螺栓裝配技術要求為30 N·m＋90°轉角，具體要求如下：力矩為30 N·m，擰緊軸轉速為30 r/min～10 r/min；其次擰緊軸停止0.5 s；最后旋轉90°，擰緊角轉速為30 r/min～5 r/min.擰緊軸暫停0.5 s并禁止軸反轉的操作是為了克服螺栓材料的彈性變形，防止螺栓力矩的衰竭.同時為了減少螺栓和飛輪孔螺紋表面摩擦系數的影響，在裝配之前對所有的螺栓的螺紋部位采取抹油處理［4］.

1.2 改進試驗方案

飛輪螺栓所需擰緊力大，使用時接近屈服極限，接觸面間的摩擦力較大.采用相同的力矩或轉角作用，由于不同批次的螺栓表面狀況不一致，導致用于克服摩擦的力矩不同.本文在降低螺紋接觸面摩擦差異方面提出改進，通過對螺栓先實行預擰緊，消除接觸表面的毛刺等表面缺陷，再反轉松開螺栓釋放應力，然后重新擰緊螺栓達到預期的軸向力.

為保證螺栓連接的可靠性，單檢測螺栓連接的擰緊力矩并不能反映螺栓連接中的拉伸情況.因為螺栓的擰緊力矩主要用于：(1)克服螺紋接觸面之間以及螺栓法蘭面和被連接件間的摩擦；(2)部分扭矩用于機械做功：拉長螺栓以及壓縮被連接件.而用于摩擦損耗的力矩無法準確計算，特別是不同批次零件的表面摩擦系數不一致.為了準確檢測螺栓應力，可通過測量螺栓在擰緊前后長度方向的伸長量來計算其所受的軸向力.

1.3 試驗裝置

(1)螺栓擰緊裝置.飛輪螺栓擰緊裝置采用阿特拉斯公司生產的擰緊軸，每次可以擰緊4個螺栓，分兩次擰緊飛輪的8個螺栓.阿特拉斯的裝配工具是世界上最先進的裝配工具之一，其除了具備優秀的電動擰緊工具的硬件，還配置了優秀的控制系統.

(2)軸向力測試裝置.采用美國MCI公司的實時測試系統——MC900瞬時紀錄分析儀對飛輪螺栓擰緊的軸向力進行測量.MC900可實現在螺栓擰緊過程中，動態測定螺栓擰緊軸向力與對應的伸長量，螺栓擰緊扭矩、轉角、軸力，并能自動繪制扭矩——角度、扭矩——軸力、軸力——伸長量、軸力——轉角等關系曲線，根據此曲線關系，能自動尋找螺栓的屈服點，能現場精確測定螺栓的軸向預緊力［5］.

2 改進結果與分析

2.1 反轉工藝對軸向力的影響

如圖1所示，在30 N·m＋90°的擰緊工藝下，生產線上飛輪螺栓的軸向力處在所需軸向力的下限82.5 kN上下波動，部分發動機平均值甚至低于所需軸向力的下限值，實際軸向力明顯不足.

圖1 30 N·m＋90°擰緊工藝的軸向力

修改螺栓的擰緊工藝為：30 N·m－180°＋30 N·m＋90°。其操作工藝如下：擰緊力矩為30 N·m，再反轉180°；接著擰緊力矩為30 N·m，停頓保持擰緊軸的位置0.5 s，再正轉擰緊90°.其中，擰緊速度為30 r/min，“－180°”（擰緊軸反轉180°轉角）目的是卸去擰緊軸的擰緊力矩.

如圖4所示，分別在5臺發動機上進行試驗.每臺發動機的奇數號飛輪螺栓采用普通的擰緊工藝（30 N·m＋90°），在偶數號飛輪螺栓采用加入反轉的擰緊工藝（30 N·m－180°＋30 N·m＋90°）.

圖2 反轉工藝對軸向力影響

從圖2中可得，每臺試驗發動機中均出現普通擰緊工藝的奇數號螺栓的平均軸向力均低于標準的下限值82.5 kN，而采用反轉工藝的偶數號螺栓的平均軸向力雖然不太穩定，但均處于標準要求的范圍82.5～94.5 kN內.

分析其原因是螺栓連接需克服接觸面間的摩擦力矩.該摩擦力矩包括螺牙間接觸面產生的摩擦力矩和螺栓頭部和飛輪表面接觸產生的摩擦力矩，而此前的抹油處理僅降低了部分螺牙間接觸面的摩擦力.摩擦力矩并不能有效的轉換成螺栓的軸向力，特別是飛輪螺栓的擰緊力矩較大，新零件的表面存在細微的毛刺.初次擰緊的部分力矩用于毛刺“磨光”，造成最終軸向力的偏低.而反轉180°的步驟將第一步預擰緊的30 N·m力矩卸去，同時“磨光”螺栓與飛輪和飛輪孔的接觸表面，提高擰緊力矩的轉換率，從而提高最終的軸向力.

2.2 二次“磨光”

采用反轉工藝的一次“磨光”后，在生產線的抽查結果表明飛輪螺栓的擰緊軸向力一定的提高，但是仍存在少數飛輪螺栓的軸向力低于所需軸向力的下限值.由于飛輪及飛輪螺栓采用高強度材料，其表面硬度較大，30 N·m的“磨光”力矩并不能完全解決表面毛刺問題.因此增加“磨光”力矩并進行二次“磨光”其中一次“磨光”力矩為最終力矩的30%左右，二次“磨光”力矩為最終力矩的70%左右.

2.2.1 70 N·m－180°＋120 N·m－180°＋30 N·m＋90°方案

首先對螺栓施加70 N·m的初始力矩，之后擰緊軸反轉180°，再施加120 N·m的力矩，再次反轉180°，最后施加30 N·m＋90°的擰緊工藝.在1臺發動機上進行試驗并測試，試驗結果如圖3所示.

圖3 70 N·m－180°＋120 N·m－180°＋30 N·m＋90°數據統計圖

從上圖可以看出在試驗機上軸向力整體偏低，均值只有80.85 kN，還未到所需軸向力的下限值，并且只有少量點達到了下限值，可見檢測結果不理想.

2.2.2 70 N·m－180°＋150 N·m－180°＋30 N·m＋90°方案

將二次“磨光”力矩由120 N·m調整至150 N·m，其余參數均不變.分別在7臺發動機上進行試驗，試驗數據如表1所示.

表170 N·m－180°＋150 N·m－180°＋30 N·m＋90°試驗數據/kN

數據分析如圖4所示.均值達到85.8 kN，雖然仍低于目標值88.5 kN，但已經在變動范圍內，并且只有少量數據低于下限值82.5 kN。試驗結果明顯優于調整前.

圖4 70 N·m－180°＋150 N·m－180°＋30 N·m＋90°數據統計圖

2.2.3 70 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°方案

嘗試將二次“磨光”方案由150 N·m調整至30 N·m＋70°，其余參數均不變.在5臺發動機上進行試驗，試驗數據如表2所示.

表270 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°試驗數據/kN

數據分析如圖5所示.所有點的軸向力均在上下限值內，均值達到86.8 kN，相差目標值88.5 kN不到2%，滿足設計要求.

圖5 70 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°數據統計圖

2.2.4結果分析

從圖3～圖5的結果顯示，二次“磨光”工藝中30 N·m＋70°的方案無論從均值還是所有點正態分布上均明顯優于前兩種方案，40個采樣點的軸向力檢測值都處于合格范圍內，并且均值距離目標值差距不到2%.

3 結論

(1)在提高軸向力穩定性上，反轉磨光的擰緊工藝比單純的力矩＋轉角控制工藝更有效，且二次“磨光”工藝比一次“磨光”工藝的效果更佳.

(2)在“磨光”工藝的效果上，力矩＋轉角螺栓擰緊方案比單純的力矩擰緊方案效果更好.

(3)針對試驗發動機，70 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°螺栓擰緊方案效果無論從均值還是正態分布情況上均最佳.

［1］楊亞鋒.探討汽車制造業螺栓連接的裝配質量［J］.中國新技術新產品,2011,24:107.

［2］張瓊敏.發動機缸蓋螺栓擰緊工藝研究［EB/OL］.［2014-03-12］.http://wenku.baidu.com/link?url=6LUz_FbVy－txrVIRi2lw74IAeq9CCXzjNfrwHiKjxj2UuIrfSZX0Z6IGbehhF7vzJMT3tjbhqM7CPOwGrQL2FxF－__－mONeHDQy3EvKVEFO.

［3］鄭勁松.發動機缸蓋螺栓擰緊工藝與試驗研究［D］.上海：上海交通大學:2008.

［4］劉曉石.發動機連桿螺栓擰緊工藝的試驗研究［J］.機械制造與自動化,2012,41(5):81-83.

［5］佚名.實時超聲波測試系統MC900瞬時紀錄分析儀［EB/OL］.［2014-03-02］.http://www.instrument.com.cn/netshow/SH101406/ C40007.htm.

Research on diesel engine flywheel bolts tightening process improvement

LI Pu,XU Qing－hua
（Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

The paper measured the flywheel bolts’axial force of a 2.8 L diesel engine by MC900 transient recorder,and presented a process which inverse the tightening shaft to grind the touch face to offset the unsteadiness of current tightening process of“30 N·m＋90 deg”.It respectively tested once polishing and twice polishing,and the polishing with torque and angle were studied.Test results showed the process of“70 N·m－180 deg＋30 N·m＋70 deg－180 deg＋30 N·m＋90 deg”had obvious improvement to ensure the stabilization of the axial force.

diesel engine;flywheel bolts;tighten;improvement

TK426

：A

：1007-5348（2014）10-0029-05

（責任編輯：李婉）

2014-04-03

韶關學院大學生創新創業訓練項目（培cxcy2013－009），韶關學院2012年度科研項目（韶學院［2012］202號）.

李璞（1986-），男，江西贛州人，韶關學院物理與機電工程學院講師，碩士，主要從事柴油機控制方面的研究.