发动机螺栓拧紧工艺与校验

发动机螺栓拧紧工艺及力矩检验

【摘要】：本文主要介绍了发动机螺栓拧紧工艺中的基本知识，拧紧方法,同时举例说明XG4G22D4发动机缸盖螺栓TA拧紧法的计算，最后简要介绍螺栓拧紧的检测方法。文章对汽车装配生产中的螺栓拧紧有积极意义。

【关键词】：发动机 螺栓拧紧 TA法 拧紧法

0.引言

汽车发动机是由众多零部件通过焊接、铆接、粘接或螺纹联接方式装配而成的机器，其中螺纹联接在生产中所占比重最大。一台发动机大约有300～500个螺栓（钉）组成，30%的螺栓又处于重要地位。往往螺栓本身所具有的价值并不大，但其所联接的产品确是十分关键。随着高速发动机不断出现，螺栓的可靠连接则越显重要。

随着近年来汽车工业的迅速发展，人们对生产效率，产品质量的要求越来越高，对螺栓拧紧工艺也更加重视。本文将对发动机拧紧方法作以分析。

1.有关拧紧的基本知识：

1.1.拧紧过程：

螺栓拧紧初始，螺栓未与工件贴合时用很小的力矩（徒手）就能转动螺栓，此时螺栓对工件没有压紧力，如图1中oa 段。当继续转动螺栓时达到配合面时，开始产生压紧力，真正拧紧已经开始（曲线上a点后），压紧力随螺栓转角的增加而增加。由图

中可以看出拧紧初始阶段（ab段）曲线是非线性的曲线，呈现波动状态，这是由于螺牙的制造误差以及各个接触面的微观不平度误差引起的。在这段非线性过程之后，，b点之后的曲线呈线性状态，一直到材料的屈服极限为止（c点），此段压紧力与转角成一定比例增加。从c点到d点过程压紧力不再增加。在d点以后再次缓慢增加，直到材料的极限强度e点，此时的压紧力达到最大值。从此点再转动螺栓，则螺栓出现径缩现象，直到断裂。

1.2.力矩与压紧力的关系：

把螺栓拧紧的过程就是通过在螺栓上施加力矩T来产生压紧力F的过程。就传统计算公式而言，其关系如下：

1

T=k2F????????????? ①

k为扭矩系数，其计算公式为：

1dw3?d032?ck=〔d22tg(β+ρ`)+（2）〕????..②

32dw?d02β—螺旋升角，其计算公式为： β=arctg

np????????????????22.③ ?d2ρ＇—螺纹当量磨擦角，其公式为： ρ＇=arctg

us?????????????????. ④ cos?2普通螺纹 ρ＇= arctg1.155 uS

梯形螺纹 ρ＇= arctg1.035 uS 矩形螺纹 ρ＇= arctguS

uS——螺纹副的静摩擦系数，当材料为钢和铸铁时us=0.1～0.15 d2—螺纹中径

uC——螺母与被联接件支承孔面间的静摩擦系数 dw—被联接件螺纹光孔直径

d0——六角螺母对边宽度或垫片外径 p—螺距

但计算时对于普通螺纹（牙型角α=60°）而言，通常用以下面系数k的经验公式，其计算结果与公式②是一致的:

k=0.161p+0.585 d2*μS+0.5* μC Dk ?222222222222222222222222222222222222222222222 ⑤ Dk——螺栓头或螺母与被联接件接触面的平均直径

总之，无论采用哪种公式来计算系数k值，最终的k值都需要用实验来修正之，从而找出一个适合的值。

由发上公式可以看出，影响压紧力的两个因素：一个是拧紧力矩，一个是摩擦系数μ。力矩T对磨擦系数的影响是明显的、直接的，这里不做分析，仅仅分析摩擦系数μ对压紧力的影响。由于螺纹接触面、螺母压紧面的物理条件（如轴线的垂直度、粗糙度、润滑条件、材料、拧紧速度）不一致和紧固方式的不准确，使压紧力有一定的分散性。如图2给出了力矩相同情况下，由于摩擦系数μ的不同造成压紧力不同的例子。

力矩T T0 μ2 μ1 μ1＜μ2 图2 当力矩同为T0时，但μ1对应的压紧力F1远大于μ2对应的压紧力F2。可见在既使是用相同F2 F1 压紧F 的力矩拧紧螺栓，但其实际所产生的作用效果（压紧力）却是不同的，且散差较大。

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1.3．螺栓拧紧技术的原理及方式：

虽说螺栓拧紧的目的是产生压紧力，尽量发挥螺栓的性能来提高利用率，从而减小所联接结构的尺寸，但是如何才能知道所拧紧的螺栓是否达到了所要求的压紧力值呢？通过实验手段可以实现压紧力的测量，但是在生产中直接进行压紧力的测量是不可能的，也是不现实现的，所以只有通过间接的方法获得，在下面这张表中列出了各项拧紧参数的可测量情况。 可测性 测量项目 在紧固中 压紧力 力矩 角位移 时间 螺栓伸长量 磨擦系数 不可测 可测 可测 可测 可测但费用高 不可测 在紧回后 可测但费用高 不可测 不可测 不可测 可测但费用高 不可测 从上表中可以看出实际上可以方便测量的只有扭矩和角位移，所以在汽车中装配生产中多数测量这两个参数，除非在实验室中出于实验目的而测量其它参数。 几种常见的拧紧方式，见下表： 装配方式 控制方式 说明 力矩法 用定扭矩扳手拧紧到一定 缺点是接触面的磨擦系数及材料弹性系数对力的力矩后停止 矩值影响较大。 先将螺母拧紧至一定起始力矩——转力矩（消除结合面间隙）再角法(TA法) 将螺栓（母）转动一定的角度后停止 拧紧时连续监控力矩——转角曲线的斜率（即力矩速率）的变化。如果该斜率突然下降，则说明已到达屈服点，立即停止拧紧。 在弹性范围内测量螺栓伸长量 螺栓伸长法 由于起始力矩较小，磨擦系数影响也较小。精 度高，但需要计算起始力矩和转角二个参量。可旋至弹性范围内也可旋至屈服点。 屈服点法 精度主要取决于紧固件的屈服强度，强度越大 精度越高。不受磨擦系数的影响。缺点是对材质的要求较高。 不易测量 超声波法 利用超声波回声频率来检测螺栓内部的变化情况直至屈服 生产线很少使用，在日本有应用

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2．4G22D4缸盖螺栓TA法计算实例：

2.1已知条件：(见图3和下面数据) 缸螺螺栓M1031

螺纹内径：d1=8.92 (mm) 螺纹中径：d2=9.35 (mm)

螺栓光杆部分直径：d3=8.7 (mm) 螺栓光杆部分长度：L1=63 (mm) 缸盖螺栓光孔直径：Di=11 (mm)

缸盖螺栓3.5缸盖32盖厚：L1=65 (mm)

212.625.1缸体19.51.495缸垫65图3

铝工件弹性模量：E铝=74556 (N/mm) 2

钢工件弹性模量：E钢=206000 (N/mm)

2

螺栓弹性模量：E螺栓=206000 (N/mm )

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螺栓屈服点：［σs］=900 (N/mm) 垫片或法兰面外径：De=19.5 (mm) 气缸垫安装前厚度：L前=1.4 (mm) 气缸垫安装后厚度：L后=1.25 (mm) 2.2.计算步骤如下：

2.2.1计算螺栓能承受的预应力F：F=［σs］2S1,其中S1为螺栓的最薄弱处，也就是截面直径最小处。S1=

?d324

3.14?8.72∴F=［σs］2S1=［σs］2=9003=53475(N)

44?d322.2.2.计算总弹性变形总量：△L=∑

LF （其中螺栓平垫变形不计，其它各变形量如下） ES4