汽車維修中的螺栓常識與緊固方法(上)

◆文/遼寧 王振選 莊開明

汽車維修中的螺栓常識與緊固方法(上)

◆文/遼寧 王振選 莊開明

汽車發動機是由許多零部件組裝而成，將這些零部件結合起來大多需要采用螺紋連接。螺紋連接和焊接、鉚接、黏接等永久結合方式有所不同，如有需要則可進行簡單的分離。螺紋零件是非永久結合方式不可缺少的零件。對于汽車維修來說，進行螺栓的拆卸及組裝是基礎。然而，使用螺釘不當有時會在安全上、品質造成重大的影響，因此本文將為讀者介紹螺紋的緊固原理以及緊固方法。

一、螺紋的種類

現代汽車基本上使用的螺紋采用ISO規定的公制螺紋。除特殊的部分以外，標準的公制螺紋零件(螺栓、螺母、螺釘類)均采用以下的螺紋直徑和螺距，如圖1和表1所示。

圖1 螺距與螺紋示意圖

表1 螺紋的直徑和螺距

特殊螺紋與標準公制螺紋沒有互換性，如表2所示。

表2 特殊螺紋

二、螺紋的大小

螺紋的大小用外螺紋的外徑表示。六角面的對邊寬度尺寸只表示適當的工具尺寸與螺紋的大小沒有關系，如圖2所示。

圖2 螺紋的大小與對邊尺寸

三、對邊寬度尺寸

六角面的對邊寬度是使用扳手、內六角扳手等工具的參考值。在表示工具的尺寸時用該對邊寬度的尺寸表示。例如10×12mm扳手表示適合于六角面的對邊寬度尺寸為10mm和12mm的螺紋零件(不限追加范圍)。圖3為常用的典型對邊寬度尺寸和螺紋大小對照表，但要注意對邊寬度尺寸與螺紋大小的對應有時和右表有所不同。有的對邊寬度尺寸有22mm、24mm、27mm、30mm、32mm等。由于火花塞采用的是特殊的對邊寬度，所以必須用專用的火花塞套筒扳手拆卸(16mm、18mm、20.6mm等)。

圖3 對邊寬度與螺紋尺寸

四、六角頭螺栓的強度代號

根據螺栓的材質，對六角頭螺栓設定了強度代號，如圖4所示。

圖4 螺栓強度代號

根據螺栓的材質的區別為標準螺栓和高強度螺栓。在組裝時應注意高強度螺栓的位置，且標準螺栓只要不是特別指定時都可用標準力矩緊固，而高強度螺栓則有指定的緊固力矩。沒有強度代號的6mmSH螺栓(對邊寬度8mm，螺紋大小為6mm的凸緣螺栓)全部按一般標準螺栓對待。

圖5所示為沒有強度代號的DR螺栓(六角頭部減輕重量的凸緣螺栓)，根據凸緣的外徑來區別。相同的六角面尺寸但凸緣大的螺栓則是高強度螺栓，我們將這種螺栓稱為塑性區域螺栓，這種螺栓在汽缸蓋、連桿、飛輪上使用比較多，緊固時要求達到一定轉矩后，再旋轉一個角度，應注意它們的安裝位置和緊固力矩。

圖5 DR螺栓(塑性區域螺栓)

圖6 所示為UBS螺栓，包括在高強度螺栓中，從外觀上是根據螺栓頭的根部是否有根切來區別。UBS螺栓有時帶強度代號，有時不帶，且承壓面上還帶有5-60′微小角度。

圖6 UBS螺栓

五、螺紋的緊固力

在采用螺紋將兩個以上的零件連接時，使用過程中這些零件必須能承受住外拉力且結合狀態不發生變化，也就是說必須維持住沒有分解脫落、沒有間隙、沒有錯動的狀態。總之，最重要的就是采用螺紋連接的結合零件相對于外力能否充分的緊固力進行連接。采用螺紋的結合體在使用中能維持其功能充分的緊固力就是適宜的緊固力。

圖7所示為采用一顆螺栓的緊固力，其相當于螺栓軸方向的拉伸力。因此，有這樣的說法：螺栓的緊固力和螺栓的軸向力兩者意義相同。

圖7 螺栓緊固力與軸向力

用螺栓緊固所提供的緊固力(初期緊固力)由于時間的推移使用中的外力與振動，緊固力會降低，這就是螺紋的松馳。即使初期緊固力適宜，但由于松馳而喪失緊固狀態，也會導致零件損壞。因此對于螺栓使用初期接合面磨合、彈性喪失等不可避免的緊固力降低的問題，解決方法就是經過一定時間后再進行緊固增緊。

螺紋的適宜緊固力由螺紋的強度、被緊固件的強度、外力的大小等來決定，對特別重要的部位必須正確地緊固。如圖8所示，當連桿軸承蓋等緊固力比適宜值大時，被緊固件(軸承蓋)就會稍微變形，軸瓦的油膜間隙就會比規定值小，嚴重時甚至會燒傷軸瓦。反之，若軸承蓋得不到充分的緊固力，由于急劇的連桿的外力變動，有可能產生螺母、軸承蓋在發動機旋轉中脫落，導致重大的發動機故障。

圖8 連桿螺栓與油膜關系

六、緊固力矩

在螺紋的緊固中最重要的是緊固力，但是緊固力(軸向力)的測定較為困難。如圖9所示，假定螺紋的緊固力矩旋轉角不變，那么緊固力矩則與螺紋的軸向力成比例。通常進行的就是對緊固力矩的核定。在力矩的核心定法中必須注意，在一定條件下雖可得到軸向力和力矩的比例關系，但條件不同時，即使用同樣的力矩來緊固螺紋，軸向力也會發生變化。

圖9 緊固力矩與軸向力

圖10 表示在螺紋部粘附著油脂類時的摩擦系數(μ)，圖11表示不同摩擦系數時螺紋的緊固力矩與軸向力。在緊固力矩和被緊固件的材質等都相同的條件下，μ也有很大的不同。施加給無潤滑螺紋的緊固力矩的88%～92%由支承面及螺紋面的摩擦所消耗，能有效地改變軸向力范圍的約為8%～12%。若減少摩擦，改變軸向力的比率就會變大。也就是μ越值低軸向力越高。因此，即使是同樣的緊固力矩，軸向力也是不同的。

圖10 不同條件時螺紋的摩擦系數

圖11 不同摩擦系數時螺紋的緊固力矩與軸向力

在無潤滑狀態下μ的波動范圍較大，反復地拆卸螺紋還存在著μ的數值變大的傾向。在維修手冊中指定涂抹機油的部位就是穩定這種軸向力的重要部位，必須遵守維修手冊的規定。在維修手冊中不指定涂抹機油的部位可以是無潤滑狀態。

潤滑螺紋部及支承面，摩擦力變小，螺紋的鎖緊效果就會變差。為了提高螺紋的軸向力、充分獲得緊固力，螺紋的松馳也就不容易產生了。緊固力矩由螺紋的大小、強度和被緊固件的強度來決定，適宜的緊固力矩在設定時應具有一定的范圍。但考慮到扭力扳手的精度及螺紋摩擦系數的誤差，有必要以力矩的下限與上限值間的中間值為目標進行緊固，在各維修手冊中基本上是以中間值表示。

七、鋼性域緊固與塑性域緊固

螺栓緊固通常是在所謂“彈性域”內完成的。在彈性域里所緊固螺栓的軸向拉伸應力與螺栓的旋轉角成正比增加。如超過彈性域緊固螺栓，則會有螺栓的旋轉角變化，而螺栓的軸向拉伸應力則變化很少。這個區域就稱為塑性域。

通常有兩種緊固螺栓的方法：一種是在彈性域內緊固螺栓(常規方法)；另一種是在塑性域內緊固螺栓。在一些發動機中，發動機蓋、連桿軸承蓋或曲軸蓋之間的連接螺栓都是在塑性域內緊固的。在這種緊固方法中，先用預定扭矩將螺栓緊固至接近其屈服點，然后再用一預定的扭矩使其超過屈服點進行緊固。在塑性域內，這類螺栓發揮軸向拉伸應力。在彈性域內，緊固扭矩與螺栓軸向應力(與螺栓旋轉角等效)成正比。在緊固過程中，螺栓拉伸應力會有較大變化。如圖12所示，在塑性域內，相對于旋轉角的變化，軸向拉伸力沒有什么變化。

圖12 螺栓拉伸應力與螺栓旋轉角關系

這里需要說明的是，塑性域螺栓是一種特殊螺栓，普通螺栓不能應用這種方法緊固，否則會造成斷裂。另一方面，塑性螺栓必須在塑性域內緊固，否則就達不到規定的扭矩。

例如豐田2C發動機汽缸蓋螺栓的緊固方法如下。

1.將18顆汽缸蓋螺栓按要求分2～3次依圖13所示順序均勻地緊固到44Nm，如有不符合扭矩標準的螺栓，應立即更換。并且在緊固之前，先在汽缸蓋螺栓螺紋和螺帽下方涂上一薄層機油。如有螺栓斷裂和變形，即予以更換。

圖13 豐田野C發動機汽缸蓋螺栓緊固順序

2.在每個缸蓋螺栓頂部的前方，如圖14所示，用油漆涂上標記。

圖14 缸蓋螺栓頂部涂上標記

3.按圖13所示順序，將18顆缸蓋螺栓擰緊90°，然后將螺栓再擰緊90°，如圖15所示。

圖15 擰緊螺栓

4.進行檢查，油漆標記應對準后方，如圖16所示。在舊式發動機中，如圖17所示，六角螺栓用于塑性域緊固，這類螺栓的頭部有安裝槽，使其易識別為塑性域螺栓。

八、螺紋的松馳

螺紋出現松馳情況，大部分是由于螺紋的結合體上加有循環外力，導致螺紋的軸向力降低而引起的，如圖18所示。

一般說來，被緊固件緊固后，螺紋的反力由螺紋零件的支承面承受。若對該結合體施加循環外力，被緊固件就承受不了作用在支承面上的壓縮應力，隨著時間推移，支承面陷落(壓塌)使螺紋的軸向力降低。另外，螺栓自身的疲勞、螺牙的磨合等也會降低軸向力。某種程度的早期磨合引起的軸向力降低通常是不可避免的，但若充分地給予初期緊固力，雖有壓塌及磨合引起的軸向力降低，還能維持必要的軸向力，螺紋的自然松馳也就難以產生。

圖16 標記對準后方

圖17 塑性域螺栓

圖18 螺紋的松馳現象

在循環外力較為急劇的部位，如圖19所示，往往采用對應于緊固力的彈性變形量大的特殊螺栓，或對應于連接部位的磨合，壓塌的軸向力降低比例較小的特殊螺栓。在這些特殊螺栓的位置上若誤裝平常的螺栓也會產生松馳，在組裝時必須給予和螺栓的強度區分同樣的注意。

圖19 特性螺栓(塑性)

（未完待續）