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发表于 2020-3-2 09:04:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

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简析发动机螺栓紧固管理

李孟;杜锐洪;林黄和
(广汽本田汽车有限公司,广州511338)
【中国汽车材料网】摘要:螺栓紧固作为最重要的机械连接方法之一,在发动机组装领域被广泛采用,几乎所有配合件的组装都运用到螺栓紧固。螺栓紧固水平的优劣,对发动机的功性能、耐久、NV水平以及量产一致性水平保证都具有非常重要的影响。本文介绍几种不同需求螺栓紧固方法,并对紧固控制差异进行论述,对发动机精密制造工作具有一定的指导意义。
关键词:发动机;螺栓;轴力

对螺栓施加周向力矩时,螺栓在紧固物体时工件受到的轴向加紧力叫轴力。轴力直接体现了被紧固件的结合品质,是螺栓紧固质量判断的直接依据。但由于轴力的测量及评价方法比较复杂、成本较高,不能对螺栓进行直接的轴力管理,只能通过其它间接的设计、工艺、品质等方法保证。
1.2 发动机轴力的重要性

螺栓轴力关系到一台份发动机的单品结合及整机动态表现品质,不仅对局部结构强度、疲劳耐久、辅件防松、缸体密封、震动模态等直接关联,还对主轴颈、连杆颈等运动副配合间隙起到间接控制的作用。

2 螺栓紧固变量分析2.1 螺栓摩擦系数分配

螺栓紧固过程中,紧固力矩的分配主要分为三部分(图1):一部分克服螺帽与支承面间摩擦扭矩(50%),一部分克服内外螺纹配合面之间摩擦扭矩(40%),剩余部分克服螺纹升程时的切向力矩(10%),即只有10%左右的扭矩是作为有效扭矩被利用到。因为螺栓个体润滑、杂质、磕碰,以及配合内螺纹的公差极限配合,各位置摩擦系数的分配常处于不可控状态,只能采用一定的品质管理手法缩小偏差范围。因此,最终体现在轴力上的有效扭矩比例是以10%为中值的公差带。

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图1

2.2 螺栓弹性系数差异

根据螺栓强度等级以及紧固设计目的的不同,螺栓具有不同的强度度系数,以及使用目标弹性区域或者塑性区域。不同的强度系数和、不同的目标区域具有不同的紧固变化特性(图2)。在不同的特性区域,扭矩与紧固结果不成正比例关系,只有在特定的目标区域,如屈服点之前,我们才可以把扭矩与轴力看做线性关系。

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图2

紧固过程中螺栓除了轴力、摩擦系数和拉伸特性区域的变动外,扭矩、转角也是跟随着紧固程度的变化量,并且可以被简单实时地测量控制。因此可以通过这些间接变量的控制达到轴力控制的目的。


3 紧固控制方法介绍
3.1 扭矩控制法

紧固扭矩法是指紧固扭矩达到设定的控制扭矩时,立即停止的控制方法。由于管控快速、简单、经济,是一种最常见、最简单的轴力控制法。适用于紧固要求不高,轴力不大,对防松有一定要求和有一定一致性管理要求的紧固。发动机上70%的螺栓紧固依然采用这种管理。

该方法利用的是螺栓在一定的拉伸特性区域,扭矩与轴力会呈现一定的线性关系。对同一螺栓拧紧过程,只需要各结合部位摩擦系数固定,扭力系数k值就会一定,轴力F会与扭矩T会呈固定比例F=kT的确定关系(图3),并且具有一定的再现性。只需要做好摩擦系数质量控制,轴力在一定程度上得到控制。根据紧固轴力的需要可选择合适的弹性螺栓或者塑性螺栓,一般情况弹性螺栓较塑性螺栓轴力偏差大。

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图3弹性螺栓与塑性螺栓轴力偏差图

但由于该控制方法控制精度低,轴力偏差范围±25%,不适合重要部位的管理。

3.2 扭矩-转角控制法

先对螺栓进行小力矩预拧,再拧一个规定角度的控制方法。该方法利用了扭矩控制与角度控制各自的优势(如图4):小力矩预拧能够保证螺栓能够完全落座,并且较小的轴力初始差距;角度控制能够保证螺栓具有固定的形变拉伸量,相较于同一种螺栓,拉伸量一定,螺栓轴力具有比较高的一致性,从而保证了轴力变化的一致性。相较于传统扭矩法,该方法能够将精度控制在±15%内,轴力控制改善效果较好,并且管理控制成本在可接受范围之内。

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图4角度法轴力变化

发动机主轴承螺栓、连杆螺栓、缸盖螺栓等对结构的强度耐久、间隙的要求、整机的平衡等都具有较高水平的要求,一般适宜采用该种控制方法。并且该种控制方法容易实现生产线的自动化管理控制,只要做好设备调教,紧固轴力会具有较高的离散性,便于生产控制。

3.3 屈服点控制法

把螺栓拧紧到屈服点后停止拧紧的方法。需要对扭矩和转角曲线斜率进行动态监控计算,当达到变动斜率区设定斜率值时(图5),停止作动。该拧紧法一般要求使用塑性螺栓以及专用的拧紧设备,对使用方法以及设备维保人员的能力都有较高的要求。轴力精度可控制到±8%以内,只有极少数对紧固要求非常高的零件采用。

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图5塑性螺栓斜率变化

4 多个螺栓的紧固管理

当需要对多个螺栓进行紧固时,我们一般需要对拧紧过程进行均匀化控制,保证变形尽可能的均匀一致。通常采用以下几种方法或者几种方法结合控制:

4.1 同时紧固法

一般采用多轴拧紧机,适宜流水线批量生产,可降低螺栓之间的紧固变形干扰。

4.2 锯齿状紧固法

拧紧顺序一般采用对角线对称作业,尽量使受力变形均匀的一种方法,适宜手工作业等小批量生产。

4.3 分步紧固法

均匀增加拧紧力矩,降低每次施加的紧固力,可有效降低变形差异,优化拧紧品质的方法。

4.4 返松紧固法

在拧紧之前先对螺栓进行预拧然后反松,可有效降低毛刺等影响,稳定摩擦系数。

5 结论

螺栓紧固方式的选择,应综合考量产品的目标精度、螺栓特性、设备能力、经济性等综合因素。选择合适的拧紧方法,可有效提高工件配合品质和生产效率。




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