柴油機(jī)飛輪螺栓擰緊工藝改進(jìn)研究

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

柴油機(jī)飛輪螺栓擰緊工藝改進(jìn)研究

李璞，許慶華

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

利用MC900瞬時記錄儀對一款2.8 L排量柴油發(fā)動機(jī)的飛輪螺栓擰緊軸向力進(jìn)行測量，針對現(xiàn)有30 N·m＋90°的擰緊工藝出現(xiàn)軸向力不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，提出擰緊軸反轉(zhuǎn)消除螺栓接觸表面毛刺的“磨光”工藝改進(jìn)方案.對比分析一次“磨光”和二次“磨光”試驗(yàn)的效果，并對磨光時采用的力矩和轉(zhuǎn)角進(jìn)行研究.試驗(yàn)結(jié)果表明采用70 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°的二次磨光擰緊工藝對飛輪螺栓軸向力穩(wěn)定的保證有明顯的改進(jìn).

柴油機(jī)；飛輪螺栓；擰緊；改進(jìn)

螺栓連接是汽車和內(nèi)燃機(jī)上最重要的連接方式之一，連接品質(zhì)的好壞直接影響整機(jī)和整車的品質(zhì)［1］.常用的螺栓連接方法有扭矩控制法和扭矩＋轉(zhuǎn)角控制法.扭矩控制法操作簡單，在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用于不太關(guān)鍵的連接部位.柴油機(jī)飛輪螺栓連接了發(fā)動機(jī)的曲軸和飛輪.其中飛輪更是需要將發(fā)動機(jī)的動力傳遞給變速箱，承受扭矩大，且數(shù)量多，裝配工藝要求高，為保證預(yù)緊力充足且分布均勻，通常采用扭矩＋轉(zhuǎn)角的裝配方法，即給裝配的螺栓施加一個起始扭矩，再旋轉(zhuǎn)一個角度，從而達(dá)到最佳和最大預(yù)緊力［2］.

由于螺栓連接中受接觸面摩擦、螺紋處摩擦、螺栓裝配緊固速度、螺紋形狀精度、擰緊工具等因素的影響，其預(yù)緊力偏差范圍較大，在±35%之間，生產(chǎn)中會出現(xiàn)達(dá)到預(yù)緊力要求，但扭矩過大，導(dǎo)致螺栓拉斷的現(xiàn)象，或者扭矩已到極限而預(yù)緊力不足［3］.對采用現(xiàn)有螺栓擰緊工藝擰緊的飛輪螺栓的軸向力進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)不同批次的發(fā)動機(jī)軸向力并不能完全控制在要求范圍內(nèi).本文在現(xiàn)有螺栓擰緊工藝的基礎(chǔ)上對擰緊工藝進(jìn)行改進(jìn)，對比分析得出最優(yōu)螺栓擰緊方案，以保證在實(shí)際批量生產(chǎn)中飛輪螺栓軸向力的穩(wěn)定性.

1 擰緊工藝及試驗(yàn)裝置

1.1 現(xiàn)有擰緊方案分析

采用一款2.8 L柴油發(fā)動機(jī)，根據(jù)試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)的飛輪螺栓設(shè)計(jì)要求，軸向力為88.5±6 kN；根據(jù)螺栓軸向力計(jì)算公式的計(jì)算和螺栓擰緊實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，飛輪螺栓裝配技術(shù)要求為30 N·m＋90°轉(zhuǎn)角，具體要求如下：力矩為30 N·m，擰緊軸轉(zhuǎn)速為30 r/min～10 r/min；其次擰緊軸停止0.5 s；最后旋轉(zhuǎn)90°，擰緊角轉(zhuǎn)速為30 r/min～5 r/min.擰緊軸暫停0.5 s并禁止軸反轉(zhuǎn)的操作是為了克服螺栓材料的彈性變形，防止螺栓力矩的衰竭.同時為了減少螺栓和飛輪孔螺紋表面摩擦系數(shù)的影響，在裝配之前對所有的螺栓的螺紋部位采取抹油處理［4］.

1.2 改進(jìn)試驗(yàn)方案

飛輪螺栓所需擰緊力大，使用時接近屈服極限，接觸面間的摩擦力較大.采用相同的力矩或轉(zhuǎn)角作用，由于不同批次的螺栓表面狀況不一致，導(dǎo)致用于克服摩擦的力矩不同.本文在降低螺紋接觸面摩擦差異方面提出改進(jìn)，通過對螺栓先實(shí)行預(yù)擰緊，消除接觸表面的毛刺等表面缺陷，再反轉(zhuǎn)松開螺栓釋放應(yīng)力，然后重新擰緊螺栓達(dá)到預(yù)期的軸向力.

為保證螺栓連接的可靠性，單檢測螺栓連接的擰緊力矩并不能反映螺栓連接中的拉伸情況.因?yàn)槁菟ǖ臄Q緊力矩主要用于：(1)克服螺紋接觸面之間以及螺栓法蘭面和被連接件間的摩擦；(2)部分扭矩用于機(jī)械做功：拉長螺栓以及壓縮被連接件.而用于摩擦損耗的力矩?zé)o法準(zhǔn)確計(jì)算，特別是不同批次零件的表面摩擦系數(shù)不一致.為了準(zhǔn)確檢測螺栓應(yīng)力，可通過測量螺栓在擰緊前后長度方向的伸長量來計(jì)算其所受的軸向力.

1.3 試驗(yàn)裝置

(1)螺栓擰緊裝置.飛輪螺栓擰緊裝置采用阿特拉斯公司生產(chǎn)的擰緊軸，每次可以擰緊4個螺栓，分兩次擰緊飛輪的8個螺栓.阿特拉斯的裝配工具是世界上最先進(jìn)的裝配工具之一，其除了具備優(yōu)秀的電動擰緊工具的硬件，還配置了優(yōu)秀的控制系統(tǒng).

(2)軸向力測試裝置.采用美國MCI公司的實(shí)時測試系統(tǒng)——MC900瞬時紀(jì)錄分析儀對飛輪螺栓擰緊的軸向力進(jìn)行測量.MC900可實(shí)現(xiàn)在螺栓擰緊過程中，動態(tài)測定螺栓擰緊軸向力與對應(yīng)的伸長量，螺栓擰緊扭矩、轉(zhuǎn)角、軸力，并能自動繪制扭矩——角度、扭矩——軸力、軸力——伸長量、軸力——轉(zhuǎn)角等關(guān)系曲線，根據(jù)此曲線關(guān)系，能自動尋找螺栓的屈服點(diǎn)，能現(xiàn)場精確測定螺栓的軸向預(yù)緊力［5］.

2 改進(jìn)結(jié)果與分析

2.1 反轉(zhuǎn)工藝對軸向力的影響

如圖1所示，在30 N·m＋90°的擰緊工藝下，生產(chǎn)線上飛輪螺栓的軸向力處在所需軸向力的下限82.5 kN上下波動，部分發(fā)動機(jī)平均值甚至低于所需軸向力的下限值，實(shí)際軸向力明顯不足.

圖1 30 N·m＋90°擰緊工藝的軸向力

修改螺栓的擰緊工藝為：30 N·m－180°＋30 N·m＋90°。其操作工藝如下：擰緊力矩為30 N·m，再反轉(zhuǎn)180°；接著擰緊力矩為30 N·m，停頓保持?jǐn)Q緊軸的位置0.5 s，再正轉(zhuǎn)擰緊90°.其中，擰緊速度為30 r/min，“－180°”（擰緊軸反轉(zhuǎn)180°轉(zhuǎn)角）目的是卸去擰緊軸的擰緊力矩.

如圖4所示，分別在5臺發(fā)動機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn).每臺發(fā)動機(jī)的奇數(shù)號飛輪螺栓采用普通的擰緊工藝（30 N·m＋90°），在偶數(shù)號飛輪螺栓采用加入反轉(zhuǎn)的擰緊工藝（30 N·m－180°＋30 N·m＋90°）.

圖2 反轉(zhuǎn)工藝對軸向力影響

從圖2中可得，每臺試驗(yàn)發(fā)動機(jī)中均出現(xiàn)普通擰緊工藝的奇數(shù)號螺栓的平均軸向力均低于標(biāo)準(zhǔn)的下限值82.5 kN，而采用反轉(zhuǎn)工藝的偶數(shù)號螺栓的平均軸向力雖然不太穩(wěn)定，但均處于標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍82.5～94.5 kN內(nèi).

分析其原因是螺栓連接需克服接觸面間的摩擦力矩.該摩擦力矩包括螺牙間接觸面產(chǎn)生的摩擦力矩和螺栓頭部和飛輪表面接觸產(chǎn)生的摩擦力矩，而此前的抹油處理僅降低了部分螺牙間接觸面的摩擦力.摩擦力矩并不能有效的轉(zhuǎn)換成螺栓的軸向力，特別是飛輪螺栓的擰緊力矩較大，新零件的表面存在細(xì)微的毛刺.初次擰緊的部分力矩用于毛刺“磨光”，造成最終軸向力的偏低.而反轉(zhuǎn)180°的步驟將第一步預(yù)擰緊的30 N·m力矩卸去，同時“磨光”螺栓與飛輪和飛輪孔的接觸表面，提高擰緊力矩的轉(zhuǎn)換率，從而提高最終的軸向力.

2.2 二次“磨光”

采用反轉(zhuǎn)工藝的一次“磨光”后，在生產(chǎn)線的抽查結(jié)果表明飛輪螺栓的擰緊軸向力一定的提高，但是仍存在少數(shù)飛輪螺栓的軸向力低于所需軸向力的下限值.由于飛輪及飛輪螺栓采用高強(qiáng)度材料，其表面硬度較大，30 N·m的“磨光”力矩并不能完全解決表面毛刺問題.因此增加“磨光”力矩并進(jìn)行二次“磨光”其中一次“磨光”力矩為最終力矩的30%左右，二次“磨光”力矩為最終力矩的70%左右.

2.2.1 70 N·m－180°＋120 N·m－180°＋30 N·m＋90°方案

首先對螺栓施加70 N·m的初始力矩，之后擰緊軸反轉(zhuǎn)180°，再施加120 N·m的力矩，再次反轉(zhuǎn)180°，最后施加30 N·m＋90°的擰緊工藝.在1臺發(fā)動機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)并測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 70 N·m－180°＋120 N·m－180°＋30 N·m＋90°數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

從上圖可以看出在試驗(yàn)機(jī)上軸向力整體偏低，均值只有80.85 kN，還未到所需軸向力的下限值，并且只有少量點(diǎn)達(dá)到了下限值，可見檢測結(jié)果不理想.

2.2.2 70 N·m－180°＋150 N·m－180°＋30 N·m＋90°方案

將二次“磨光”力矩由120 N·m調(diào)整至150 N·m，其余參數(shù)均不變.分別在7臺發(fā)動機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表170 N·m－180°＋150 N·m－180°＋30 N·m＋90°試驗(yàn)數(shù)據(jù)/kN

數(shù)據(jù)分析如圖4所示.均值達(dá)到85.8 kN，雖然仍低于目標(biāo)值88.5 kN，但已經(jīng)在變動范圍內(nèi)，并且只有少量數(shù)據(jù)低于下限值82.5 kN。試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于調(diào)整前.

圖4 70 N·m－180°＋150 N·m－180°＋30 N·m＋90°數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

2.2.3 70 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°方案

嘗試將二次“磨光”方案由150 N·m調(diào)整至30 N·m＋70°，其余參數(shù)均不變.在5臺發(fā)動機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

表270 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°試驗(yàn)數(shù)據(jù)/kN

數(shù)據(jù)分析如圖5所示.所有點(diǎn)的軸向力均在上下限值內(nèi)，均值達(dá)到86.8 kN，相差目標(biāo)值88.5 kN不到2%，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖5 70 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

2.2.4結(jié)果分析

從圖3～圖5的結(jié)果顯示，二次“磨光”工藝中30 N·m＋70°的方案無論從均值還是所有點(diǎn)正態(tài)分布上均明顯優(yōu)于前兩種方案，40個采樣點(diǎn)的軸向力檢測值都處于合格范圍內(nèi)，并且均值距離目標(biāo)值差距不到2%.

3 結(jié)論

(1)在提高軸向力穩(wěn)定性上，反轉(zhuǎn)磨光的擰緊工藝比單純的力矩＋轉(zhuǎn)角控制工藝更有效，且二次“磨光”工藝比一次“磨光”工藝的效果更佳.

(2)在“磨光”工藝的效果上，力矩＋轉(zhuǎn)角螺栓擰緊方案比單純的力矩?cái)Q緊方案效果更好.

(3)針對試驗(yàn)發(fā)動機(jī)，70 N·m－180°＋30 N·m＋70°－180°＋30 N·m＋90°螺栓擰緊方案效果無論從均值還是正態(tài)分布情況上均最佳.

［1］楊亞鋒.探討汽車制造業(yè)螺栓連接的裝配質(zhì)量［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011,24:107.

［2］張瓊敏.發(fā)動機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝研究［EB/OL］.［2014-03-12］.http://wenku.baidu.com/link?url=6LUz_FbVy－txrVIRi2lw74IAeq9CCXzjNfrwHiKjxj2UuIrfSZX0Z6IGbehhF7vzJMT3tjbhqM7CPOwGrQL2FxF－__－mONeHDQy3EvKVEFO.

［3］鄭勁松.發(fā)動機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝與試驗(yàn)研究［D］.上海：上海交通大學(xué):2008.

［4］劉曉石.發(fā)動機(jī)連桿螺栓擰緊工藝的試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械制造與自動化,2012,41(5):81-83.

［5］佚名.實(shí)時超聲波測試系統(tǒng)MC900瞬時紀(jì)錄分析儀［EB/OL］.［2014-03-02］.http://www.instrument.com.cn/netshow/SH101406/ C40007.htm.

Research on diesel engine flywheel bolts tightening process improvement

LI Pu,XU Qing－h(huán)ua
（Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

The paper measured the flywheel bolts’axial force of a 2.8 L diesel engine by MC900 transient recorder,and presented a process which inverse the tightening shaft to grind the touch face to offset the unsteadiness of current tightening process of“30 N·m＋90 deg”.It respectively tested once polishing and twice polishing,and the polishing with torque and angle were studied.Test results showed the process of“70 N·m－180 deg＋30 N·m＋70 deg－180 deg＋30 N·m＋90 deg”had obvious improvement to ensure the stabilization of the axial force.

diesel engine;flywheel bolts;tighten;improvement

TK426

：A

：1007-5348（2014）10-0029-05

（責(zé)任編輯：李婉）

2014-04-03

韶關(guān)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（培cxcy2013－009），韶關(guān)學(xué)院2012年度科研項(xiàng)目（韶學(xué)院［2012］202號）.

李璞（1986-），男，江西贛州人，韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院講師，碩士，主要從事柴油機(jī)控制方面的研究.