（机械工程专业论文）发动机螺栓拧紧技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 螺纹联接是汽车、内燃机等众多机械行业装配作业中广泛采用的一种方 法，为了确保装配质量，必须对螺纹联接的拧紧状态予以控制。用于控制螺 纹拧紧的方法主要有扭矩法，扭矩一转角法，屈服点法三种。发动机螺栓拧 紧技术的研究是指在使用专门设备( 如螺栓自动拧紧机) 的情况下，对采用 不同的拧紧方法紧固螺栓，能否达到规定预紧力要求的研究。对于所要研究 的螺栓，本文以d a 4 6 2 发动机的连杆螺栓为例进行分析。 本文着重通过对螺纹拧紧机理的分析和采集大量试验数据对比，来阐述 采用不同的拧紧工具和不同的拧紧方法，对发动机连杆螺栓拧紧所达到的质 量和效果的不同，从而明确提出使用螺栓自动拧紧机，采用扭矩一转角法的 优点。同时还进一步通过试验对比，阐述采用阿特拉斯自动拧紧机和扭矩一 转角法来拧紧连杆螺栓后，应当如何调整相应的拧紧技术要求，实现对螺纹 副联接质量的控制，确保连杆螺栓的装配质量；以及如何重新标定逆向分解 检查连杆螺栓拧紧力矩的限值，达到现场便于对螺纹拧紧质量进行监控；最 后还结合对发动机螺栓拧紧技术的研究，对发动机连杆螺栓的拧紧，提出一 些有建议性的想法和改进意见，供有关技术人员参考。 关键词：螺纹；拧紧；扭矩一转角法；自动拧紧机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t ra c t t h r e a d e dc o n n e c t i o ni so n em e t h o dt h a ti sw i d e l yu s e di nt h em e c h a n i c a l a s s e m b l ys u c ha sa s s e m b l eo fa u t o m o b i l e sa n d i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ee t c i n o r d e rt oe n s u r eh i g hq u a l i t yo fa s s e m b l y , t h et i g h t e n i n go ft h r e a d e dc o n n e c t i o n m u s tb ec o n t r o l l e d t h ep r i m a r ym e t h o d sf o rc o n t r o l l i n gt h r e a dt i g h t e n i n gc o n s i s t o ft o r q u ea p p l i c a t i o n ，t o r q u e a n g l er o t a t i o na n dy i e l dp o i n t t h ep u r p o s eo f r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo ft i g h t e n i n gb o l t so ne n g i n e si st oi d e n t i f yi ft h e s p e c i f i e db o l tp r e - t i g h t e n i n gr e q u i r e m e n tc a nb em e tw h e n t h eb o l t sa r et i g h t e n e d b yd i f f e r e n t m e t h o d sw i t ht h es p e c i a le q u i p m e n t ( s u c ha sa u t o m a t i c b o l t t i g h t e n i n gm a c h i n e ) t h eb o l t so nt h ec o n n e c t i n gr o do nd a 4 6 2e n g i n ea r et a k e n a se x a m p l ei nt h er e s e a r c h ，a n dt h ea n a l y s i so nt h i st y p eo fb o l ti sm a d ei nt h e p a p e r i nt h i sp a p e r , t h ea d v a n t a g eo fa p p l y i n gt o r q u e a n g l er o t a t i o nm e t h o dw i m t h ea u t o m a t i cb o l t st i g h t e n i n gm a c h i n ei sc l a r i f i e da n dt h ed i f f e r e n tq u a l i t ya n d e f f e c t so ft i g h t e n i n gb o l t so ne n g i n ec o n n e c t i n gr o dd e p e n d i n gu p o nt h ed i f f e r e n t t i g h t e n i n gt o o l sa n dm e t h o d su s e di sd e s c r i b e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h r e a d t i g h t e n i n gp r i n c i p l ea n dc o m p a r i s o no f an u m b e ro f c o l l e c t e d t e s td a t a m e a n w h i l e i ti sa l s od e s c r i b e dh o wt oa d j u s tt h er e l a t e dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fb o l t t i g h t e n i n ga n dh o wt or e a l i z et h ec o n t r o lo f t h r e a d e dc o n n e c t i o nq u a l i t ya f t e rt h e b o l t sa r et i g h t e n e do nc o n n e c t i n gr o dw i t ht h ea t l a sa u t o m a t i ct i g h t e n i n gm a c h i n e a n dt o r q u e a n g l er o t a t i o nm e t h o ds oa st oa s s u r eh i g hq u a l i t yo fa s s e m b l i n gb o l t s o nc o n n e c t i n gr o dt h r o u 出f u r t h e rt e s tc o m p a r i s o n i nt h ep a p e r , i ti ss t a t e dh o wt o m a k ei d e n t i f i c a t i o nf o rr e v e r s ed i s a s s e m b l ya n dc h e c kf o rt h et i g h t e n i n gt o r q u e l i m i to fb o l t so nc o n n e c t i n gr o ds oa st or e a c ht h et a r g e to fc o n t r o l l i n gt h r e a d i i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t i g h t e n i n gq u a l i t y o ns i t e i na d d i t i o n ，t h ep o s i t i v ei d e aa n di m p r o v e m e n t c o m m e n t so nt i g h t e n i n gb o l t so ne n g i n ec o n n e c t i n gr o do nt h eb a s i so ft h e r e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo ft i g h t e n i n gb o l t so ne n g i n ef o rr e f e r e n c et ot h er e l a t e d e n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n s k e yw o r d s ：t 1 1 r e a d ；t i g h t e n i n g ；t o r q u e a n g l e r o t a t i o n m e t h o d a u t o m a t i ct i g h t e n i n gm a c h i n e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关的观点、方法、数 据和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做 出熏要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：盈墨3 日期：渺 年f z - 月乙臼 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 螺纹联接应用 今天，很难找到一部没有螺纹联接、没有螺纹紧固件的机器。众所周知， 自从出现了人类文明，就开始了利用紧固件把儿个物件联接起来的历史。据 c 0 鲍尔( b a h e l ) 估计，金属加工业有5 0 的生产时间用于制造紧固件。 在所有联接中，螺纹联接是应用最为广泛的。 是谁在什么时候发明了螺纹联接已无据可查了。在1 4 5 7 年制造的一个头 盔k ，发现了有固定羽饰的螺钉、螺母，这是最早作为紧固件用的螺钉螺母。 1 7 6 0 年英国怀嫒特家族的乔布( j o b ) 和威廉( w i l l i a m ) 兄弟发明了车螺纹 用的车床，他们被认为是工业制造螺栓、螺母的创始人。 1 8 4 1 年，英国人j 惠特沃思( w h i t w o r t h ) 最早提出标准螺纹体制，称 为惠氏螺纹，随后成为沿用多年的英国螺纹标准。1 8 6 4 年美国人赛勒 ( s e l l e r ) 在惠氏螺纹体制的基础 = ，提出了新的螺纹体制，将牙型角由5 5 。改为6 0 。，1 8 6 8 年正式定为美国螺纹标准，称为u s 螺纹。1 8 9 4 年，法国 制定r s f 螺纹体制，将英、美的英寸制螺纹改为米制螺纹。1 9 6 2 年i s o 发 表了米制螺纹标准，使螺纹标准国际化。 螺纹联接可以获得很大的联接力，又便于装拆，通过标准化，实现了大 批量生产，成本低而且价格便宜，具有互换性，因此在机械结构中得到广泛 应用。螺纹紧固件已成为必不可少的机械零件。 螺纹联接是汽车、内燃机等众多机械行业装配作业中广泛采用的一种方 法，本文以汽车发动机连杆螺栓为例，介绍发动机连杆螺栓拧紧技术及研究 螺栓拧紧机理和方法。 1 2 螺纹联接拧紧方法 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前，控制螺纹拧紧的方法主要有扭矩法、扭矩一转角法和屈服点控制 法等三种。 1 2 1 扭矩法 扭矩法是一种常规的拧紧方法，是利用扭矩与预紧力的线性关系在弹性 区进行紧固控制的一种方法。使用该方法在拧紧时，只对一个确定的紧固扭 矩进行控制，操作简便。但是，由于紧固扭矩的9 0 左右作用于螺纹摩擦和 支承面摩擦的消耗，真正作用在轴向预紧力方面仅l o 左右，初始预紧力的 离散度是随着拧紧过程中摩擦等因素的控制程度而变化的，因f f l i 该拧紧方法 的离散度较大，适合一般零件的紧固，不适合重要的、关键的零件联接。 过去，由于受设备制约，我公司在连杆螺栓拧紧力矩的控制上就采用了 扭矩法，拧紧工具为指针式力矩扳手。 图1 1 扭矩法拧紧连杆螺栓的实例及扭矩扳手 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 2 指针式扭矩扳手的亥0 度盘 使用扭矩法拧紧连杆螺栓时，除受螺纹摩擦副表面、支承面等制造因素 影响外，力矩扳手的锭l 造误差、甚至操作者的读数误差都对拧紧效果产生很 大影响。从图中我们可以看到，指针式力矩扳手的刻度单位为1 0 n t o ，而连杆 螺母的拧紧力矩为3 6 4 0 n m ，所以，不难看出，此种方法的偏差是非常大的。 因此，采用扭矩法控制连杆螺栓力矩是不适宜的。 1 2 2 扭矩转角法 扭矩一转角法是在拧紧时达到规定的贴合扭矩厉，再转动螺纹件达到规 定角度。贴合扭矩值常取所需拧紧扭矩值的2 5 左右。尽管螺纹件摩擦系数 对达到贴合扭矩的拧紧所产生的“阶段预紧力”有影响，但影响较小而且螺 纹摩擦系数对转角拧紧所产生的预紧力无影响，因为在弹性变形区或超弹性 区内，若弹性模量恒定，预紧力仅与螺栓伸长最有关，而伸长量与转角度数 成正比。 扭矩一转角法的优点是：拧紧质量稳定，螺纹件摩擦系数对拧紧质量的 影响小。螺栓可拧至塑性变形区而不致拧断，设计预紧力可取螺栓屈服强度 的7 0 。缺点是拧紧：f 具价格昂贵( 是扭矩法拧紧工具的1 0 倍) ，操作不方 便。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 3 屈服点控制法 屈服点控制法利用扭矩一转角增最比概念，将螺纹件拧紧至螺栓的屈服 点。拧紧工具使用计算机电路，将输入的扭矩和转角进行微分汁算( d t d 巾) ， 并绘制扭矩一转角曲线，从而实现自动停机控制。屈服点控制法的拧紧质量 ( 预紧力离散性) 只与螺栓屈服强度有关。 屈服点控制法的优点是将螺栓拧至其屈服点，最人限度地发挥了螺纹件 强度的潜力。大量研究表明，螺栓拧紧时轴向预紧力越大( 拧至屈服点) ，其 抗松动和抗疲劳性能越好。其缺点是拧紧工具价格过于昂贵。 1 3螺纹联接在发动机中的重要性 发动机由成百t 千个零部件按一定方式和要求有机地联接起来，从而组 成发动机总成，而在装配过程中，操作者遇到最多的装配方式就是螺纹联接。 螺纹联接是发动机零部件之间四神常用联接方式( 螺纹联接、焊接、铆接和 粘胶联接) 之一，约占发动机联接的7 0 左右，具有精度高、装配方便、零 件拆装便利等优点。所以，螺纹联接的可靠性对确保发动机的质量非常关键 和重要，如连杆螺栓联接，若力矩不够，轻者发动机瓦响，重则螺母松脱， 引起连杆折断，毁坏发动机的恶性故障。因此研究连杆螺栓的拧紧技术对r 确保发动机的装配质量具有非常重要的意义。 1 4本课题研究目的、意义及国内外现状 发动机螺栓拧紧技术的研究是指应用专门的设备( 如螺栓自动拧紧机) 拧紧螺栓之后，检查螺栓的预紧力能否达到规定的要求，其目的在于缩小螺 栓拧紧后的预紧力的离散度，并在长期振动的工作条件下不发生松动。 对于所要研究的嫘栓，本文以d a 4 6 2 发动机的连杆螺栓为例进行分析。 4 哈尔滨工程太学硕士学位论文 众所周知，连杆螺栓是汽车发动机最重要的连接件，即使按照设计图纸规定 的力矩拧紧。在试车检查时个别还会出现由f 连杆螺栓力矩不够引起瓦响的 故障，若这样的发动机出厂，在外场极有可能发展成连杆螺母松脱，引起连 杆折断毁坏发动机的恶性故障。因此研究连杆螺栓的拧紧技术具有非常重要 的意义。 本论文选择这个课题，就是想通过发动机螺栓拧紧技术的研究，应用发 动机螺栓拧紧机，依据扭矩一转角法的原理进行预紧力试验，采集大量试验 数据进行统计分析，从而明确提出使用螺栓自动拧紧杌，采用扭矩一转角法 的优点。同时还进一 步通过试验对比，阐述采用阿特拉斯自动拧紧机和扭矩 转角法来拧紧连杆螺栓后，应当如何调整相应的拧紧技术要求，实现对螺 纹联接质量的控制，确保连杆螺栓的装配质量；以及如何重新标定逆向分解 检查连杆螺栓拧紧力矩的限值，达到现场便于对螺纹拧紧质量进行监控，防 止连杆螺母在振动条件下松动所引起的连杆折断故障；最后还结合对发动机 螺栓拧紧技术的研究，对发动机连杆螺栓的拧紧，提出一些有建议性的想法 和改进意见，供有关技术人员参考。 扭矩一转角法在现代螺纹副装配作业中占有重要地位，已经是关键螺栓 紧固所使用的一种主要工艺方法。美国在4 0 年代末开始着眼于螺栓伸长和轴 向力的关系，进行了转角法的研究，并于1 9 6 0 年制定j 规范，以后在1 9 6 2 年修订规范时，强调以转角法作为主要拧紧方法。1 9 6 4 年、1 9 7 4 年又不断地 进行了修订，使规范日臻完善。现在，在美国，转角法已是主要采用的拧紧 方法，而英国、日本、德国等也相继采用，并都制定了各自的转角法标准。 且发展迅速，理论技术日趋成熟。在国内由于扭矩一转角法的实现需采用自 动拧紧机，而国内自动拧紧机生产技术还不太成熟，大部分采用进口自动拧 紧机，如阿特拉斯、博世、英格索兰拧紧机，而进口拧紧机价格非常昂贵， 一般企业购买不起，东安公司也只是在近几年才开始陆续采用进口自动拧紧 机，主要采用瑞典阿特拉斯螺栓力矩拧紧机，我公司对其原理、参数设定、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 扭矩一转角法优点等还缺乏系统分析研究，而国内此方面的研究文献也很少， 为目前的研究状况。本课题为自立课题。 1 5本文的研究内容 本文简单介绍了螺纹力学，阐述螺纹拧紧的机理及方法，重点介绍了扭 矩一转角法的原理和优点，并着重通过对螺纹拧紧机理的分析和采集大量试 验数据对比，来阐述采用不同的拧紧工具和不同的拧紧方法，对发动机连杆 螺栓拧紧所达到的质量和效果的不同，从而明确提出使用螺栓自动拧紧机， 采用扭矩一转角法的优点。d a 4 6 2 连杆螺栓逆向分解检查力矩的理论分析设 计参数的合理值，确定装配车闻使用阿特拉斯螺栓力矩拧紧机时的拧紧工艺 参数，以及d a 4 6 2 发动机连杆螺栓在使用扭矩一转角法后应当改进意见和建 议性的想法，供有关技术人员参考。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章螺纹力学 2 1 拧紧螺母所需力矩 首先研究作用在矩形螺纹上各力的关系。将矩形外螺纹沿中径d 。展开， 得到一斜角为升角1 l r 的斜面。当以力f t 推受有轴向力f 的滑块( 相当于螺母) ， 若滑块沿斜面上升( 相当拧紧螺母，见图2 1 ) 这时应满足下述力平衡条件 ( 在平行于斜面的方向上) ： 奄 图2 1 矩形螺纹上力的平衡条件 1 7 。c o s l l r fs i n v u ( f 。s i n l l r 十fc o s _ i i ，) = 0 式中p 摩擦系数，可用摩擦角p 的正切代替。 上式整理后得到 则拧紧螺母所需力矩 f 。= f t a n ( 1 l r + p ) 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t 1 一f 。d 2 2 ：f d 2 t a n ( 1 i r + p ) 2 若滑块沿斜面下降( 相当螺母松退) ，这时f 。是阻力，而摩擦力改变方 向，重复上述推导得到 f 。= f t a n ( 1 l f p ) 对于三角形螺纹，如图2 2 所示，图a 中螺纹上作用有轴向力f 和推力 f 。，则在图c 所示的螺纹牙垂直截面图上看出，螺纹表面的法向压力f n = ( f c o s l i r + f 。s i n l l ，) c o s b l ，其中b 1 是垂直截i l i = i 上的牙型斜角。它和轴向截 面牙型斜角p 的关系是t a n l 31 = t a n bc o s v ，面对于米制螺纹t a n b1 = 0 5 7 7 c o s _ l i ，。 ( a ) ( b ) 图2 2 三角形螺纹牙上的作用力 沿螺旋线切线方向力的平衡条件是 令 f ：c o s l i t fs i n v h ( f ts i n l l f + fc o s l i f ) c o s b l = 0 u c o s b 一u1 = t a np 4 s i np ( c ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则可整理成 f 。= f t a n ( 1 i r + p1 ) 称u1 为当量摩擦系数，p1 为当量摩擦角。 在三角形螺纹( 联接螺纹) 的螺栓k ，转动螺母所需的螺纹力矩为 t i = fd z t a n ( 1 i r 十p1 ) 2 2 2 螺纹联接自锁条件 由上述推导可知，三角形螺纹联接螺母松退时，由力的平衡条件可得到 f 。= f t a n ( 1 l r p1 ) 若v p 1 ，上式表明，这时虽然运动方向改变了，但作用力f 。的方向 并不改变。因此，这时f 。不再是推动力而成为制动力。若不施加f 。这样大的 制动力，螺母将加速松退。 若i l f o 。因此，扭矩一转角法的精度 较扭矩控制法要高“。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 4 本意小结 本章重点介绍扭矩法和扭矩一转角法的机理，并经分析得出如下结论。 1 、通过理论分析与结合我公司发动机逆向分解检查连杆力矩的统计情况 得出，采用扭矩法由于受摩擦系数等因素的影响，建立的轴向预紧力小而分 散。 2 、介绍连杆螺栓采用两种不同拧紧方法，其影响预紧力的因素不同，扭 矩转角法的影嗣因素少于扭矩法。 3 、通过两种控制方法的理论分析、比较，从而得出扭矩一转角法的控制 精度优于扭矩法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章螺栓自动拧紧机控制方式 螺栓联接是发动机的主要装配方式之一。装配拧紧的目的是通过螺栓的 轴向预紧力，将两个工件( 如连杆盖和连杆体) 可靠的连接在一起。因此， 对轴向预紧力的离教度的准确控制是保证装配质量的基础。为确保螺纹联接 的刚性、紧密性、防松能力以及受拉螺栓灼疲劳强度，联接螺拴必须被施加 一个预紧力。因此，螺栓联接的预紧力控制非常关键，用什么方法来控制和 监测预紧力的数值显然是一个值得研究的课题，传统拧紧工具已无法满足精 度要求，许多国际大公司都在研制控制精度更高的拧紧机，如阿特拉斯 ( a t l a s ) 公司、博世( b o s c h ) 公司、英格索兰( i n s i g i f ) 公司等。下面以 阿特拉斯( a t l a s ) 公司生产的螺栓自动拧紧机为例，介绍自动拧紧机在螺栓 拧紧过程中的控制与监测。 5 1 拧紧过程中使用的监测设备 5 1 1 扭矩传感器 在阿特拉斯( a t l a s ) 公司扭矩传感器有两种形式：旋压式和固定式。 旋压式传感器通常用于能连接工具套筒接头的便携式设备上，在工具与紧固 件的轴线上测量扣矩，通过旋转轴上传感器的扭矩感应元件将信号传递给静 态监测设备。固定式传感器实际是安装在工具的不动部件上( 通常是环形齿 轮上) ，同步测量相对应作用在紧固件上的扭矩。作用在传感器的扭矩和输出 电压之间的关系可以认为是线性的，这类设备的反应时闻非常迅捷，在实际 使用中可以认为是瞬间反应。 5 1 2 角度编码器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 角度编码器是一个电子设备，当它转过一个特定角度后会产生电脉冲。 通常固化在i ：具内部，在日常使用中有两种形式的角度编码器，。种是一体 化设备固化在工具的驱动轴上出齿轮驱动，另一种编码器形式是通过探测驱 动轴上的磁元件的转动来静态采样。由于编码器的每转脉冲数是固定的，通 过套筒一整转与编码器的转动度数之间的换算，将控制单元标定后即可用于 测量紧固件。 5 1 3 模撤扭矩监测器 模拟扭矩监测器是最基本的与扭矩传感器配套的监测单元。包含各种硬 件提供扭矩传感器电压，放大和测量传感器输出和屁示最终扭矩等级这类单 元仅能用于监测紧固件拧紧的最终扭矩。1 。 5 2 拧紧过程中的控制方法 目前，螺纹拧紧控制的方法有很多种，常用的有扭矩控制、角度控制和 屈服点控制三种。先进的拧紧工具，如电动拧紧机，一般都足控制和监视同 时进行，监视方法有扭矩监视、角度监视、屈服点监视和斜率点监视等。组 合起来常用的方法有扭矩控制角度监视、角度控制扭矩监视、屈服点控制 屈服点监视、屈服点控制扭矩和角度监视等，一般每种控制方法都可以用斜 率点监视。更先进的拧紧工具也可以同时有两或多种监视方法。其实，无论 哪种控制和监视，都是为以扭矩的形式保证工件所需的夹紧力，消除假扭矩。 5 2 1 扭矩控制 根据要求在拧紧工具上预先设定一个扭矩值，拧紧工具在旋转拧紧过程 中，阻力矩不断增加，当达到预定的扭矩值时t 具自动断扭。普通的限扭气 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动扳手就是只有扭矩控制，没有监视功能。如果螺纹质量不好，这种控制方 法很容易出现假扭矩。 t 指定扭矩 t 指定扭矩 不好扭矩不真实 图5 1 扭矩控制 从上面的图5 1 中可以看出来，如果没有扭矩监视的功能，由于螺纹质 量或装配过程中造成的螺纹损坏是不容易被发现的，在发动机中的重要部位 ( 如缸盖和连杆大头盖) 如果出现假力矩，对整机的工作质量是有严重影响 的。 5 2 2 角度控制 角度控制是指螺钉头部与工件贴合之后先拧到。定的扭矩，这个扭矩叫 作预扭矩或门坎扭矩，然后继续旋转到一个规定的角度后断扭的一种方法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 预扭矩 t 指定角度 图5 2 角度控制 对于螺纹联接，螺钉的材料是很重要的，如果某个螺钉屈服极限达，f i 到 要求而过早地屈服，则达不到要求的预紧力。角度控制如果没有监视功能， 则对这样的不合格螺钉不容易发现。如下图5 3 预扭矩 t 5 2 3 屈服点控制 指定角度 图5 3 不合格螺钉拧紧曲线情况 线 对于一种联接，扭矩的增加量越来越小，在增加量接近零时( 即该曲线 的斜率为零) 开始断扭，这种拧紧方法叫屈服点控制。螺栓在达到屈服点经 塑性变形后，金属材料产生形变强化，此时金属的强度和硬度提高，螺钉不 容易失效，所以采用屈服点控制有一定的优点。 2 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用屈服点控制的联接方法，根据需要的预紧力选择螺钉的材料和螺钉 的直径，这种控制方法对螺钉材料性能的均一性要求是很高的。 t 图5 4 屈服点控制 5 。3 拧紧过程的监视 通过上面的分析可以看出，只有控制功能而没有监视功能的拧紧过程， 不容易发现由于各种原因所造成的联接故障，容易出现假扭矩和最终扭矩不 合格的现象。这些情况对于不重要的联接可能不会造成太大的影响，但是对 于关键和重要联接，这些故障如果不被发现，有可能会造成严重的后果。上 面描述的扭矩控制，如果有角度监视就不会出现假力矩的现象。 t 指定扭矩 开始监视合格范围 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t 指定扭矩 开始监视合格范围 好扭矩不真实 图5 5 拧紧过程的角度监视 从图5 5 中可以看出，虽然拧紧工具断扭了，但不在角度合格范围之内， 所以拧紧力矩不合格，拧紧工具就会报警。 我f t j m , j 才分析过的角度控制和屈服点控制，由于螺钉的质量不过关，过 早地达到了屈服点，继续拧紧预紧力也不会增加，达不到预紧的要求，如果 带有扭矩监视，就可以排除类似的故漳1 。 5 4 本章小结 本章以阿特拉斯( a t l a s ) 公司生产的螺栓自动拧紧机为例，介绍自动拧 紧机在螺栓拧紧过程中的控制与监测。 在螺栓拧紧过程巾，如果拧紧工具只具有控制功能而没有监测功能，会 使得拧紧过程不受控，易出现假扭力矩和最终扭矩不合格的现象，造成联接 不可靠。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第6 章连杆螺栓自动拧紧机应用研究 发动机连杆螺栓的拧紧力矩是发动机总成装配的关键力矩，它直接影响 到发动机的性能。我公司自引进阿特拉斯( t i a s ) 力矩拧紧机后，按着设计 所最初给定的参数，发动机在试车中经常出现瓦响故障，为了解决这一质量 问题，对连杆螺栓的拧紧进行试验研究，认为采用的拧紧方法不合理，造成 预紧力离散度较大，同时对由力矩拧紧机紧固的螺栓的逆向分解检查参数重 新进行了标定。 连杆总成是发动机的重要部件，而连杆螺栓紧同力矩是发动机总成装配 的关键力矩，它的好坏直接影响着发动机的质量。下丽以我公司d a 4 6 2 连杆 螺栓为例进行介绍。 圈6 14 6 2 连杆结构实例 d a 4 6 2 发动机的额定转速为6 0 0 0 r m i n ，即单缸连杆每分钟要承受1 2 0 0 0 哈尔滨上程大学硕士学位论文 次交变负荷，图纸规定的连杆螺栓力矩为3 5 4 0 n m 。在如此商频次的t 作条 件下，保证连杆拧紧力矩的现实意义是不言而喻的。早期，针对粗牙结构的 连杆螺栓，在设计结构上曾采用过锁片进行防松，装配的效率较低，成本也 相应增加。后来，连杆螺纹改进为细牙螺纹，螺纹副保证拧紧的效果显著提 高，取消了锁片，本文研究的对象就是细牙螺纹连杆螺栓。 6 1 1 d a 4 6 2 连杆螺栓要求 图6 2d a 4 6 2 连杆螺栓 d a 4 6 2 连杆螺栓采用敦制成型，螺纹是在热处理后滚制，硬度要求为 h r c 3 7 4 2 ，探伤无裂纹，满足性能要求，相关尺寸见图6 2 。关于螺栓材料 的屈服点和屈服负荷的定义； d a 4 6 2 发动机连杆螺栓的材料为4 0 c r n i m 4 属优质合金钢，它不像普通碳 钢那样有明显的屈服点，这时屈服点的定义为：螺栓发生0 2 的永久( 塑 性) 伸长时的应力点为屈服点昂z ，此时的负荷称“屈服”负荷。见图6 3 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 拉伸应力( n ) f0 图6 3 连杆螺栓优质合金钢屈服点 而对于台金钢制成的螺栓可以从螺栓头上的数字标志( 钢印) 来确定螺 栓的屈服应力。 例如，对于8 8 级的螺钉，其名义极限拉伸应力( ) 8 0 0 n 一, , 2 ，而屈 服点应力为8 0 0 x 0 8 = 6 4 0 ，一2 ，为极限拉伸应力的8 0 9 6 。 类似的标注有：9 8 级螺栓( 屈服点应力为7 2 0 n l m m 2 ) ，1 0 9 级螺栓( 屈 服点应力为9 0 0 ，2 ) ，1 2 9 级螺栓( 屈服点应力为1 0 8 v n m , 2 ) 。 螺栓应力处在这个区间里就称为超弹性极限区。 6 1 2 造成连杆螺钉折断的主要原因 虽然按照设计图纸规定的力矩进行装配，但是总有部分连杆螺母在振动 的工作条件下发生松动，导致连杆体与连杆盖之间的预紧力卜 降，使得两者 之间出现间隙，引起连杆螺栓疲劳断裂。另外，由于连杆螺母或连杆螺栓上 的螺纹精度的偏差难以控制，以及连杆螺钉热处理质量的离散度很大。尤其 是连杆螺纹外径和螺距又比较小，使得拧紧过程中螺纹极易产生损伤，经过 3 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 反复几次装配和分解，螺纹的累计损伤十分严重，使得螺母或螺栓的螺纹( 牙 尖接触部分) 首先进入塑性状态。即便最后一次装配预紧力达到了要求，但 仍无法保证振动载荷叠加后预紧力的稳定性。因此，如何能确保连杆盖和连 杆体之间的预紧力，及在振动条件下，螺母不松动，预紧力稳定，就是本章 要研究的课题。 6 2 拧紧方式的选择 过去我公司曾长时间的使用扭矩法( 一次拧紧) ，在第四章已进行了简单 的介绍，用这种方法来间接地控制预紧力，由于受螺栓或螺母、螺纹面摩擦 力的影响、拧紧工具的制造误差影响、操作者的影响，预紧力离散度很大， 可高达4 0 。摩擦系数f 大时，达到规定拧紧力矩而保证不了最小预紧力， 会影响发动机的可靠性，发动机试车时常表现出瓦响；当摩擦系数f 过小时， 按规定力矩拧紧时，可能超过螺栓的屈服点，发生螺栓变形、断裂、螺纹撸 扣、座面凹陷等质量问题。所以这种方法的控制精度是较差的。 二次拧紧法( 即先把螺栓涂油拧到规定力矩使座面密合，然后松开一牙 以上，第二次再拧紧至规定力矩) 在我公司一些螺拴拧紧中使用，对控制拧 紧精度有一定效果，似乎行的通。由于存在第一次的密合过程，摩擦系数的 一致性较好，用这种方法可显著减小预紧力的离散度。但是在实际装配中， 这种方法的影响因素太多，如螺纹精度，力矩扳手的精度，读数误差，生产 节拍等，所以这种方法也不太可行。 利用阿特拉斯( a t l a s ) 力矩拧紧机采用扭矩一转角法拧紧是否可行， 通过下面的分析就可以得出结论。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p0 预紧力( n ) p 1 p27 p2 0m i m0m0 7 桂1 螺栓2 m 力矩( n - m ) 图6 4 力矩+ 转角法原理 如图6 4 所示，图中的两条曲线分别为两个螺栓的扭矩一预紧力对应关 系，其中a b 和a 7 b 的斜率不同，是由于两螺栓的摩擦系数不同引起的， 假设螺栓l 为正常螺栓，那么螺栓2 就是摩擦系数较大的坏螺栓。 如果只用力矩法拧紧，拧紧力矩为，那么好坏螺栓的预紧力差为( p - - p 。) 。如果先用力矩法将贴合力矩拧紧至c 和c 点，在转过一个转角n ， 假设对于好螺栓i 来说，拧过转角n 后仍到达d 点，对应的预紧力仍为p ， 那么螺栓2 在转过n 角后力矩将达到m 0 ，螺栓对应的预紧力将为p 。7 。很显 然，( p ，一p 。) ( p ，一p ：) ，也就是说，使用扭矩一转角法是可以在忽略摩擦 系数的影响下较为精确地控制预紧力的，所以在使用自动力矩拧紧机后采用 此法是可行的。 6 3 扭矩一转角法参数选择及优化 连杆螺栓的力矩值是由贴紧点力矩和连杆螺母拧过的角度决定的，选择 好这两个参数并进行优化是本节讨论的重点。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 3 。1 参数选择的方法 假设所要达到的连杆螺栓力矩值为m 。，而贴紧点力矩值为m 。拧紧的角 度为a ，由角度产生的力矩系数为a ，则m 0 是由m 。和拧紧角度a 两部分决定 的，即m o = m + an 。选择参数就是如何分配m 。和a 。由于螺纹和连杆) j n q - 质 量的影响，如果m 设置较小，当力矩拧紧机达到m ，时，螺纹未必真正达到贴 紧点，之后再转过设置的角度o ，这时的拧紧力矩显然达不到m 0 ，也就是说 最终力矩的离散性仍然很大。现在我公司所使用连杆和螺栓的加工精度和质 量不是很高，为了克服由此带来的影响必须增大贴紧点力矩m 。，使在进行转 角之前螺栓切实达到贴紧点。由上面m ，、m 。和n 的关系可知，若为一常数， m 。增大，a 则需减小，拧紧角度减小，可使螺栓的拧紧力矩的离散性减小。 另一方面，由于各结合面的摩擦系数不尽相同，因此，各贴紧点便不同， 如图6 3 所示，当贴紧点力矩较小时( 但必须超过a 点) ，产生的预紧力偏差 a p 相对较小，这就又要求在选择贴紧点时应尽可能地选择较小的贴紧点力 矩值，然后，再加上一定的转角。但在实际生产中，应平衡好这对矛盾，合 理选择，应充分考虑满足最终拧紧力矩的要求。 由于螺栓的各结合面在拧紧时初始状态不同，装配条件也存在着差异， 因此，初始状态的刚性存在着个体的差异即形成不同的拧紧曲线，如图6 5 所示。 mf ( 转角) 图6 5初始差异形成不同拧紧曲线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从图中可以看出，预紧之前，a 的离散性较大，在密合之后，a 的离散 性较小。因此，贴紧点应选择离散性大的一点上，当选择的贴紧点力矩较小 时，就会出现在此力矩下即使加上一定的转角也不能满足力矩要求的现象。 综上所述，所选择的贴紧点既不能太大，也不能太小，应选择适当贴紧 点力矩值再加上一定的转角，能够保证绝大多数的螺栓在真正贴紧之后再加 固定的转角拧紧，确保最终预紧力满足要求。 6 3 2 参数试验及分析 基于以上的分析，结合设计所提供的参数，在力矩拧紧机上进行了如下三 组试验： 1 ) 、m l = 1 7 5 n m d - - - - 4 0 。 报警力矩下限是2 5 n m ( 设计所提供) 如 图6 7 所示 2 ) 、m = 1 7 5 n m = 4 5 。 报警力矩下限是2 5 n m 如图6 8 3 ) 、m = 2 0 n m q = 3 7 。 报警力矩下限是2 7 n m 如图6 9 每组参数采样2 4 0 个，试验结果详见表6 1 、6 2 、6 3 。 图6 6 力矩拧紧机工作实例 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表6 1m 。= 1 7 5 n mq = 4 0 。的力矩测量值 序号数值 序号数值序号数值序号数值序号数值序号 数值 12 5 64 1 2 & 18 13 8 91 2 l4 331 6 13 5 62 0 l 4 0 9 2 3 64 23 4 28 23 0 21 2 23 5 51 6 2 4 1 62 0 23 75 33 6 74 34 2 28 33 41 2 33 8 41 6 3 2 9 12 0 33 6 9 43 6 14 43 6 2 8 42 9 11 2 44 2 61 6 43 582 0 43 9 2 52 94 4 53 898 53 6 41 2 5“41 6 54 1 72 0 5 3 4 63 574 63 588 6 3 6 41 2 64 451 6 64 1 72 0 63 4 73 8 54 7 3 858 72 9 51 2 73 5 31 6 74 29 2 0 73 7 83 54 84 498 84 141 2 83 71 6 8 3 2 72 0 83 9 6 93 l94 9 3 6 98 93 571 2 93 421 6 93 442 0 92 74 1 03 625 03 6 39 03 671 3 02 4 21 7 04 1 92 1 03 37 1 13 485 l3 1 89 14 55 1 3 13 391 7 l3 4 52 l l3 96 1 2 4 35 23 9 89 23 2 91 3 23 481 7 23 492 1 24 t5 1 3 3 1 55 33 7 99 32 71 3 34 241 7 33 4 52 1 33 4 6 1 43 5 15 43 59 43 48 1 3 43 4 71 7 42 32 1 44 00 1 53 6 25 53 4 99 53 861 3 54 5 21 7 53 5 72 1 53 92 1 63 6 15 63 1 99 62 61 3 63 4 71 7 6 3 8 92 1 63 95 1 74 0 55 7 3 259 73 8 51 3 72 9 61 7 l3 5 32 1 73 57 1 83 8 5 5 82 6 49 83 2 41 3 83 5 11 7 83 2 32 1 83 63 1 9 3 55 93 6 79 93 6 31 3 93 4 71 1 93 62 1 93 85 2 03 626 03 4 9l o o3 2 31 4 03 7 91 8 02 9 72 2 03 5 4 2 12 86 13 4 11 0 l3 1 41 4 14 3 11 8 13 962 2 l3 5 9 2 22 58 b 24 4 51 0 23 0 41 4 24 1 41 8 23 562 2 23 l 5 2 33 446 33 6 91 0 3“91 4 33 4 21 8 33 5 52 2 33 3 3 2 42 76 42 91 0 43 5 41 4 43 4 11 8 43 2 72 2 4 3 5 1 2 53 6 36 53 9 11 0 53 6 21 4 53 5 41 8 53 6 ，92 2 53 2 9 2 63 1 56 62 2 81 0 63 6 21 4 63 5 41 8 63 6 92 2 63 z9 2 73 4 36 73 4 91 0 73 4 ，l1 4 73 2 91 8 73 672 2 7 3 3 4 2 83 416 83 411 0 83 3 51 , 1 83 61 8 82 7 22 2 84 0 2 93 916 94 5 61 0 93 9 61 4 94 2 11 8 93 3 62 2 93 5 8 3 02 867 03 7 41 1 0 3 751 5 03 51 9 03 4 32 3 03 29 3 13 67 l3 51 1 13 641 5 l4 281 9 13 9 52 3 l3 61 3 24 3 23 421 1 23 8 51 5 23 2 71 9 22 8 82 3 23 47 3 33 6 97 32 7 21 1 33 541 5 33 241 9 32 942 3 33 95 3 43 767 44 4 61 1 44 4 61 5 43 8 21 9 43 1 59 3 43 3 9 3 54 1 77 53 3 51 1 53 431 5 5“31 9 53 2 72 3 53 5 9 3 63 647 64 0 21 1 62 61 5 63 3 11 9 63 6 92 3 63 64 3 73 577 73 6 41 1 73 481 5 73 491 9 73 l82 3 73 7 3 3 83 647 83 4 41 1 83 921 5 83 471 9 82 972 3 84 24 3 93 47 93 7 5 1 1 94 3 21 5 94 2 ，81 9 93 1 52 3 9 3 66 4 04 0 88 03 0 31 2 03 25 1 6 0 3 6 12 0 0 3 4 7 2 4 03 8 9 3 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h i s t o g r a mo fc 2 ，w i t hn o r m a lc u r v e 图6 。7m i = t 7 5 n m = 4 0 。数据分布曲线 表6 2m l = 1 7 5 n mq = 4 5 。的力矩测量值 n m 序号数值序号数值序号数值序号数值 序号 数值 序号数值 13 6 84 14 318 l4 2 81 2 l4 5 11 6 14 0 5 2 0 l 3 9 8 23 7