螺栓擰緊機在汽車發動機制造中的應用研究

劉引連

摘要：本文主要分析和探究的是目前國內外擰緊機的基本結構和一些主要的技術指標、以及一些常用擰緊方法的精度及其對控制參數的要求、各擰緊方法在發動機主要零部件裝配中的應用。通過這些相關結構指標的分析，最終將現行的扭矩控制法梓緊工藝改進為扭矩一一轉角控制法工藝，通過這種轉變來提升擰緊質量。

關鍵詞：螺栓擰緊機；汽車發動機制造

1.引言

運用螺栓連接起來的零部件，所要達到的最佳效果是讓零部件的組合形成一個相對的整體，在運轉過程中能夠達到像整體零件運行的狀態。達到這種狀態就必須讓零部件能夠像一個整體一樣，不僅要讓零部件在應用的過程中不會出現分離和松動的現象，更要讓即連接起來的零部件能夠更好的抵抗運行中最大外力的作用。

2.采用擰緊機擰緊的必要性

要達到這種狀態對于螺栓的擰緊，就要加強裝配時螺栓（或螺母）擰到最緊的程度，讓零部件能夠更好的契合，緊密。但是令我們難以闡述清楚的是這個“最緊”是到底代表的是什么程度。不同的工人對于這個會有不同的理解，因此會造成一定程度上的差異。在目前的應用情況下，一臺發動機就包含著幾十個零件、幾百個采用螺栓緊固的裝配點，這些都是要通過大量的工人和大量不同的應用工具，在不同的時間階段相互配合所能形成的整體，所以按這種分析方法而言最緊這個概念是相當模糊的，這也造成了相當大的離散度，更何況如今的大生產產量較大影響更為嚴重。所以按照以上的說法，如果是利用傳統的擰緊工具來組合零部件，要讓這些零部件達到在運行中不產生任何的分離與松動是極為困難的。在擰緊零部件工具的過程主要是通過普通扳手、氣扳機、定扭矩扳手、定扭矩氣扳機、普通扳手或氣扳機定扭矩扳手來進行操作，這種操作方法就是要先采用普通扳手或氣扳機預緊后，第二步利用具有扭矩預置示值功能的定扭矩扳手到目標扭矩值）。附加第二步的作用是在經過初步擰緊后保證擰緊時的目標扭矩值，但是即便如此，在零部件的擰緊過程中還是會有難其它因素扭矩扳手的精度除外）的影響，比如：操作者用力的大小與速度、視覺誤差（指針式）、多個螺栓之間相互影響，等多個難以一一控制的因素。因此，如今擰緊機尤其是電動擰緊機的出現讓以上的問題迎刃而解，讓零部件達到最好的運行狀態。

3.當前國內外擰緊機的基本結構與主要技術指標

當前主流配置結構的擰緊機主要有以下幾點：在配置結構與功能方面，當下最先進的擰緊機具有機構與功能相同的優點。在控制方法方面，最先進的擰緊機與之前傳統的擰緊機相比，能夠同時擁有多種控制方法，例如：扭矩控制法、扭矩一轉角控制法與屈服區域控制法等。在精確控制方面，傳統標稱的均勻尺度是：扭矩：蕊士3%：轉角：續士20。經過不斷的加工、深化后，先進的擰緊機雖然與傳統的擰緊機的基本功能相同：都是一種擰緊螺栓的工具。但是先進的擰緊機的精確度卻是遠遠高于傳統擰緊機。其工作原理是：通過調整、控制擰緊機的各類參數（如：控制參數、工藝參數等），以及利用多軸組合，可同時對多個螺栓（母）展開擰緊工作。由此，最大化地提高了擰緊螺栓（母）的工作效率。

4.常用擰緊控制方法對擰緊結果精度的影響

總所周知，擰緊機的精度與擰緊結果的精度息息相關，密不可分，同時也與擰緊軸的精度相關。但是，為了最大化提高擰緊機的精確度，我們做了無數次的實驗，實驗結果表明：擰緊機的精度同時與擰緊結果、擰緊軸的精度以及擰緊控制方法相關。這也意味著在現實工作中，不同的擰緊控制方法不同，其擰緊結果也截然不同，結果也會出現一定的誤差。所以，其主要原因在于：當擰緊機工作時，擰緊結果與夾緊力成正比例關系，這也意味著當夾緊力越大時，擰緊結果更佳。而擰緊控制方法又是決定夾緊力的重要因素之一。綜上所述，使用擰緊機的用戶在選擇擰緊機時，不僅僅要注意選擇當下先進的配置結構以及靠譜、有實力的供應商之外，還要考慮擰緊機所使用的擰緊控制方法。因為只有這樣才能將擰緊機的功能發揮到最大化，還能同時提高擰緊機的工作效率與精確度，減少不必要的浪費。根據相關調查數據顯示，在目前的市場環境中，最普遍使用的擰緊控制方法是以下兩種：第一，扭矩控制法；第二，扭矩一轉角控制法。以下，我將進行全面、系統地分析介紹各個控制方法的精確度與裝配質量。

4.1扭矩控制法

扭矩控制法，顧名思義，這是一種通過控制扭矩來控制夾緊力的。其工作原理是：設立扭矩的的數值，當扭矩在工作過程中的夾緊力到達一定數值時，機器會自動停止擰緊的過程。主要優點在于：相比其他控制方法，扭矩控制方法具有操作簡便，使用歷史悠久的優點。

4.2預緊力精度

影響扭矩系數K的因素范圍較為廣泛，包括：連接體的彈性系數、表面加工方法以及熱處理的測量方法以及周圍的環境溫度等。以上因素都會直接間接地影響到K的數值。從以上實驗證明，一般情況下，K的數值都會在0.2-0.4之間上下浮動，有時也會在0.1-0.5之間。德國工程師協會（VDI）曾做過一份有關擰緊的實驗報告。其中，證實了若采取的不同材料與加工方式使得擰緊扭矩的T的誤差為O時，夾緊力的誤差最大，此時可達到27.2%。

4.3對控制參數的要求

對于扭矩控制法來說，其最終的目的為擰緊目標扭矩。所以，對于控制的參數必須有嚴格的控制與掌握。以下是控制參數的幾點要求：第一，必須保證目標扭矩的數值足夠大。由此，被連接的工件才能足夠結實，避免出現因工件松動而產生的不必要的損失。第二，目標扭矩的數值不能過大，必須掌握在一個合適的數值范圍之內。避免出現因為力量過大而導致螺栓遭到破壞的現象。嚴格按照擰緊結果所要求的夾緊力與K之間的數值進行設定扭矩的數值。綜上所述，在現實的工作當中，為了既保證螺栓的擰緊結果又避免出現螺栓遭到破壞的現象出現。對于扭矩的最大數值設立為：當最大摩擦系數拜ml出現時，在保證夾緊力的結果的同時，確保F的數值最小化。其上限則為：當最小摩擦系數拜ml出現時，在保證夾緊力結果的同時，確保Fma的數值最大化。（如圖1所示），展示了扭矩上下限的要求。

4.4扭矩一轉角控制法

從扭矩控制法延伸出來的另一種控制法是扭矩一轉角控制法，此方法是在原有的基礎上進行深化、加工后擁有一定的轉角，其工作原理為，當螺栓產生一定的軸向伸長并且擁有一定的軸向預緊力的關系時。想要運用這種方法，首先必須將螺栓設定到一個固定起始扭矩sT，從這個點開始，對擰緊進行規定的轉角A。在運用此方法擰緊時，為了能夠使螺母和螺栓能夠有更加緊密的接觸面，設置起始扭矩是不可缺少的。而預緊力對于螺栓來說是通過后面的轉角進行獲取的。綜上所述，此方法是通過控制轉角來間接性的控制夾緊的力度。

預緊力精度。從圖2中可見，摩擦阻力（圖中以摩擦系數表示的）的不同，僅影響測量轉角的起點，并將其影響延續到最后。而在計算轉角之后，摩擦阻力對其的影響已不復存在，故其對螺栓軸向預緊力（即夾緊力）影響不大。因此，其擰緊結果的精度比單純的擰矩法高。

對控制參數的要求。與傳統扭矩控制法不同的是，扭矩一轉角控制法的主要控制參數的設立在于擰緊扭矩的同時保證轉角二項的數值。其主要的要求如下：在確保扭矩數值在上下限之間，又要保證轉角的數值在上下限之間（如A0與A1）。如圖3所示，所有數值必須在平面區間5（又叫綠窗線如曲線2所示）內才為合格。若在其他區間內均視為不合格。綜上所述，不難看出，扭矩一轉角控制法具有精確度較高、裝配質量好的優點。

5.結語

在當前的市場背景下，我國的汽車產業正處在發展階段，在技術上進行創新的同時也要對基礎技術指標進行細化，提升產品的質量。我國汽車產業的發展是一個循序漸進的過程，應當從實際出發提升產業的基礎實力，為汽車產業的發展打下基礎。