發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋螺栓擰緊方式研究

程瑞　鄒開鳳　姚本軍　胡新生

摘要： 本文通過試驗(yàn)圖表的形式比較分析了兩種發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋螺栓的擰緊方式對(duì)氣缸蓋壓緊力的影響，得出結(jié)論最佳的擰緊方式是采用角度擰緊法并將氣缸蓋螺栓擰緊至其本身的屈服強(qiáng)度。

Abstract： This paper compares and analyzes the influence of the tightening methods of two kinds of the engine cylinder cover bolt on pressing force of the cylinder cover. The conclusion is that the best tightening method is to use angle tightening method and tighten the cylinder head bolt to its yield strength.

關(guān)鍵詞： 氣缸蓋螺栓；力矩?cái)Q緊法；角度擰緊法；屈服強(qiáng)度擰緊法

Key words： cylinder cover bolt；torque tightening method；angle tightening method；yield strength tightening method

中圖分類號(hào)：TK24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）06-0120-02

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，氣缸內(nèi)的燃料燃燒會(huì)產(chǎn)生很大的壓力，氣缸蓋會(huì)承受非常大的作用力，因而需要用螺栓把氣氣缸蓋緊緊地固定在機(jī)體上。傳統(tǒng)上國內(nèi)一直采用分步擰緊的方法來緊固發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋，以其擰緊力矩是否達(dá)到要求作為標(biāo)準(zhǔn)。這種擰緊方法稱為力矩?cái)Q緊法。但使用力矩?cái)Q緊法裝配氣氣缸蓋有一定的局限性，那就是面對(duì)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同氣缸蓋螺拴，即使使用相同的擰緊力矩，氣缸蓋面臨的壓緊力也會(huì)有所不同，并且采用該方法很難得到最大的壓緊力。所以在國外該方法已經(jīng)基本上不被采用了，國外當(dāng)前采用最多的方法是屈服點(diǎn)控制擰緊法和角度擰緊法。下面對(duì)這三種擰緊方法進(jìn)行理論分析和比較。

1 理論分析

對(duì)氣缸蓋螺拴而言，它主要承受軸線上氣缸內(nèi)高壓氣體的沖擊拉力。對(duì)氣缸蓋螺栓的擰緊方法主要有三種：①力矩?cái)Q緊法。將氣缸蓋螺栓擰緊到規(guī)定數(shù)值的力矩時(shí)，即符合壓緊標(biāo)準(zhǔn)。②屈服點(diǎn)控制擰緊法。該方法是靠螺栓擰緊來壓緊工件，但需要將螺栓擰緊至其屈服極限區(qū)域。③角度擰緊法。依照一定的角度將氣缸蓋螺栓緊固，使其符合壓緊標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前我國比較常用的方法是力矩?cái)Q緊法，下面分別對(duì)這三種方法進(jìn)行分析和比較。

1.1 力矩?cái)Q緊法

理論上影響力矩?cái)Q緊法壓緊力的因素主要有：氣缸蓋螺拴本身材料的屈服強(qiáng)度、螺栓螺紋與氣缸體的摩擦、氣缸蓋螺栓與氣缸蓋間的螺栓頭部的摩擦等三個(gè)因素。還包括擰緊氣缸蓋時(shí)擰緊力矩因人為的因素和工具本身的誤差而產(chǎn)生的誤差。實(shí)踐表明，在裝配氣缸蓋時(shí)的擰緊力矩相當(dāng)一部分用于克服螺紋和機(jī)件所產(chǎn)生的摩擦，只有一小部分被轉(zhuǎn)換為有效螺栓拉力。螺栓的摩擦系數(shù)對(duì)壓緊力有很大的影響。對(duì)同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋螺栓來說，其擰緊力矩與軸向壓緊力的關(guān)系曲線如圖1所示。

同一種螺栓其摩擦系數(shù)也存在差別，在螺栓允許安裝的最大拉力范圍內(nèi)，即使一個(gè)較小擰緊力矩誤差也可能會(huì)造成很大的危害。對(duì)于同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其不僅面臨擰緊力矩誤差，還同時(shí)存在摩擦系數(shù)誤差，在兩項(xiàng)誤差的共同作用下每個(gè)氣缸蓋螺栓的軸向壓緊力的最大可達(dá)到圖示中的△MA。由此可見，在操作中由于種種因素就會(huì)使擰緊力矩誤差放大許多倍。隨著誤差的不斷加大，后果不堪設(shè)想。所以，近年來國外基本上不采用力矩?cái)Q緊法進(jìn)行裝配。

1.2 角度擰緊法

如果采用角度擰緊法對(duì)氣缸蓋螺栓進(jìn)行擰緊時(shí)，擰緊轉(zhuǎn)角與軸向壓緊力的關(guān)系曲線，如圖2所示，R0.2是螺栓材料的0.2%屈服強(qiáng)度點(diǎn)，A點(diǎn)為初始力矩點(diǎn)，該曲線分三部分。在角度擰緊法中，擰緊步驟分兩步，即初始擰緊扭矩+擰緊角度。

從圖2可以看出，采用角度擰緊法，影響壓緊力的因素有擰緊角度誤差、氣缸蓋螺栓的屈服強(qiáng)度、螺栓與工件的摩擦力等三個(gè)。我們擰緊氣缸蓋時(shí)，氣缸蓋螺栓的轉(zhuǎn)角是測(cè)量和控制的對(duì)象，無關(guān)于對(duì)螺栓的扭矩。而在三點(diǎn)影響因素中，摩擦僅產(chǎn)生的影響微乎其微。所以該方法與力矩?cái)Q緊法相比，少了一個(gè)對(duì)壓緊力產(chǎn)生誤差的影響因素，因而氣缸蓋各個(gè)螺栓的壓緊力就相對(duì)比較均衡。由于氣缸蓋螺栓處于遠(yuǎn)離其屈服強(qiáng)度的區(qū)域，因而不用考慮螺栓的屈服強(qiáng)度的影響。由圖2所示，在采用角度擰緊法時(shí)，當(dāng)螺栓受力在點(diǎn)A到點(diǎn)R0.2區(qū)間時(shí)，由螺栓擰緊轉(zhuǎn)角的誤差△θA，所引起的軸向壓緊力誤差△FM相對(duì)于力矩法小得多。

1.3 屈服點(diǎn)控制擰緊法

盡管對(duì)于氣缸蓋的壓緊力，角度擰緊法相對(duì)于力矩?cái)Q緊法更易于控制，但是，從圖2中我們可以看出，在點(diǎn)R0.2的左右兩邊，由同樣大小的轉(zhuǎn)角誤差△θA所引起的壓緊力誤差△FM在點(diǎn)R0.2的左邊就比右邊要大很多。因此，在擰緊氣缸蓋螺栓時(shí)，為了減小轉(zhuǎn)角誤差△θA對(duì)氣缸蓋壓緊力△FM的影響，需使氣缸蓋螺栓擰緊到接近其屈服強(qiáng)度，即擰緊角度θA必須大于其0.2%屈服強(qiáng)度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的擰緊轉(zhuǎn)角θ0.2，保證各氣缸蓋螺栓的壓緊力均衡，這就是屈服點(diǎn)控制擰緊法。

采用屈服點(diǎn)控制擰緊法就要使氣缸蓋螺栓在其屈服強(qiáng)度處工作，需滿足以下要求：①保證氣缸蓋螺栓的質(zhì)量。由于該方法要求將螺栓擰緊到接近屈服極限，這無疑對(duì)氣缸蓋螺栓的質(zhì)量提出了很高的要求，只有保證氣缸蓋螺栓的質(zhì)量符合要求，屈服點(diǎn)控制擰緊法才能真正發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。②氣缸蓋螺栓只能使用一次。③對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于影響因素較多，設(shè)計(jì)氣缸蓋螺栓時(shí)，必須經(jīng)過試驗(yàn)來決定材料及大小等。④必須用試驗(yàn)確定螺栓的初始扭矩與螺栓轉(zhuǎn)角。

2 對(duì)比分析

在進(jìn)行螺栓擰緊氣缸蓋時(shí)，如果擰緊力矩達(dá)到了螺栓的屈服強(qiáng)度但不失效的程度，這種狀況下的氣缸蓋壓緊力與力矩?cái)Q緊法相比具有什么優(yōu)點(diǎn)呢？對(duì)此，我們對(duì)強(qiáng)度為10.9級(jí)的M16-1.5的螺栓進(jìn)行了兩種擰緊方法的比較分析試驗(yàn)。如圖3所示的曲線圖為試驗(yàn)對(duì)幾個(gè)同種的試驗(yàn)螺栓分別用兩種方法進(jìn)行擰緊，其中一種扭矩大于其0.2%的屈服強(qiáng)度，另一種扭矩則小于該值。

分析圖3可知，由于受到氣缸蓋螺拴本身材料的屈服強(qiáng)度、螺栓螺紋與氣缸體的摩擦、氣缸蓋螺栓與氣缸蓋間的螺栓頭部的摩擦等三個(gè)因素的影響。在將同種螺栓擰緊到不同的程度時(shí)，對(duì)氣缸蓋壓緊力所產(chǎn)生的誤差也有極大的差別。在本試驗(yàn)中，材料的RP0.2=940～1100螺栓與氣缸蓋的摩擦系數(shù)？滋=0.10～0.14（包括螺紋摩擦系數(shù)？滋G和螺栓頭部摩擦系數(shù)？滋K）在擰緊力矩未達(dá)到其屈服極限時(shí)，試驗(yàn)中測(cè)量其數(shù)值約為200N·m，當(dāng)擰緊力矩在該數(shù)值±8%左右變化時(shí)，引起的氣缸蓋壓緊力的在79～123kN范圍變化，變化幅度達(dá)到±23%。當(dāng)繼續(xù)加大擰緊力矩大于螺栓材料的0.2%屈服強(qiáng)度（不失效），當(dāng)擰緊力矩變化范圍達(dá)到±19%時(shí)，氣缸蓋壓緊力范圍僅在135～168kN，誤差范圍僅為±11%。

3 結(jié)論

通過上面的理論及試驗(yàn)分析，很顯然，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋螺栓的擰緊方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋壓緊力有很大的影響。采用角度擰緊法比采用扭矩法能得到更加均勻的氣缸蓋壓緊力。最佳的擰緊方式是采用角度擰緊法并將氣缸蓋螺栓擰緊至其本身的屈服強(qiáng)度得到更為均衡的氣缸蓋壓緊力。為此，必須提高氣缸蓋螺栓的質(zhì)量，并且用試驗(yàn)確定氣缸蓋螺栓的設(shè)計(jì)、擰緊過程中的擰緊轉(zhuǎn)角和初始扭矩。

參考文獻(xiàn)：

[1]張瓊敏，等.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝研究[A].第十次全國汽車裝試年會(huì)論文集[C].2002：164-166.

[2]萬欣，等.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M]天津： 天津大學(xué)出版社，1998：244.

[3]邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2008：56.