某發(fā)動機連桿螺栓拉伸問題的分析與解決

王小娟，朱軍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司寶駿基地發(fā)動機工廠，廣西柳州545007）

某發(fā)動機連桿螺栓拉伸問題的分析與解決

王小娟，朱軍

（上汽通用五菱汽車股份有限公司寶駿基地發(fā)動機工廠，廣西柳州545007）

針對某1.2L發(fā)動機批量制造中持續(xù)1年連桿螺栓拉伸問題，通過對設備、零件以及擰緊過程來查找原因，通過各種試驗對比分析逐一排除問題，最終鎖定為擰緊程序中的邏輯控制導致連桿螺栓在擰緊過程中被拉伸。優(yōu)化擰緊過程監(jiān)控項解決了持續(xù)一年的連桿螺栓拉伸質(zhì)量問題，此問題的突破對于制造領(lǐng)域連桿螺栓擰緊提供了一個非常有利的分析思路。

連桿螺栓；拉伸；螺栓連接；扭矩系數(shù)

螺栓作為一種緊固件，在發(fā)動機上有廣泛的應用，一臺發(fā)動機大約要用到60多種螺栓，其設計的好壞直接關(guān)系到聯(lián)接件能否正常工作[1]。連桿是發(fā)動機運動部件中的一個重要部件，連桿的緊固都是通過螺栓聯(lián)接，其聯(lián)接質(zhì)量是發(fā)動機制造過程中一個重要質(zhì)量控制點，其聯(lián)接質(zhì)量的控制好壞直接影響到發(fā)動機的性能。且連桿受力復雜，受沖擊負荷較大，其聯(lián)接螺栓的要求較高，一般采用10.9級以上的高強度螺栓并施加較大的預緊力[2]。盡管如此，在工程中還是會出現(xiàn)連桿螺栓脫落或拉伸從而導致螺栓斷裂，連桿擊穿缸體的現(xiàn)象，如我司某1.2 L發(fā)動機曾經(jīng)由于生產(chǎn)線連桿螺栓拉伸導致路試過程中連桿擊穿缸體的現(xiàn)象。

本文針對某1.2 L發(fā)動機在生產(chǎn)線上擰緊過程中發(fā)現(xiàn)的拉伸現(xiàn)象，主要通過對設備和零部件逐一試驗驗證分析，對裝配工藝對比分析，鎖定問題制定措施，解決連桿螺栓拉伸問題。

1 連桿螺栓裝配工藝介紹

某發(fā)動機為四缸發(fā)動機，此連桿螺栓材料為SCM435，等級為10.9級，處理工藝為熱處理之后再進行螺紋滾壓，材料特性抗拉強度最低為106.1 MPa/ mm2，材料硬度HRC34-38，表面處理為磷酸鋅鍍層，連桿螺栓設計扭矩為（33±2）N·m.連桿螺栓擰緊工藝為人為手工預緊到底，在4軸擰緊機自動擰緊8顆螺栓，需兩次動作才能完成一臺發(fā)動機的連桿螺栓裝配。4顆螺栓每次擰緊時分三步擰緊（詳見表1），先擰緊2、3缸，再擰緊1、4缸。

表1 某發(fā)動機連桿螺栓擰緊工藝

2 連桿螺栓拉伸問題

至某年10月起連桿螺栓擰緊工位發(fā)生連桿螺栓拉伸質(zhì)量問題，產(chǎn)生大量返修，存在質(zhì)量隱患的同時還造成了大量的成本浪費，某年10月至下一年的8月連桿拉伸問題統(tǒng)計如圖1所示，連桿螺栓拉伸實物如圖2所示，連桿螺栓的拉伸部位在中部，螺栓呈現(xiàn)內(nèi)凹型。

圖1 連桿螺栓每月拉伸問題數(shù)

圖2 連桿螺栓拉伸實物圖

從故障連桿螺栓擰緊曲線（如圖3）來看，螺栓扭矩擰緊時一直無法達到33 N·m，在32.1 N·m處就開始發(fā)生屈服，因一直未達到目標扭矩，擰緊機持續(xù)擰緊，角度持續(xù)增加而扭矩一直達不到33 N·m，導致螺栓被拉伸。

圖3 連桿螺栓拉伸的擰緊曲線

3 問題的分析與解決

對于此問題，從人、機、料、法、環(huán)展開調(diào)查，問題主要集中在設備、物料及裝配工藝，針對這幾個方面進行相關(guān)的調(diào)查。

3.1 設備分析

從設備上排查，對于連桿螺栓拉伸問題，可能是設備上擰緊軸定位塊摩擦導致擰緊軸中心與連桿螺栓中心不同軸，導致螺栓擰緊時使偏心擰緊螺栓拉伸；也可能是擰緊軸內(nèi)部件結(jié)構(gòu)或扭矩傳感器損壞，導致輸出扭錯誤，螺栓被拉伸。

根據(jù)以上兩點在現(xiàn)場檢查擰緊軸定位塊，定位塊表面無明顯壓痕和明顯變形，且觀察螺栓擰緊時，套筒套進連桿螺栓時位置準確，無偏心，故擰緊軸與連桿螺栓同軸。更換新的擰緊軸，且對扭矩傳感器重新標定，標定在合格范圍內(nèi)，無異常，且更換新的擰緊軸后拉伸問題仍然存在并沒有好轉(zhuǎn)，拉伸問題仍然存在，故設備正常，拉伸與設備無關(guān)系。為了進一步說明設備與連桿螺栓拉伸沒有關(guān)系，通過一個驗證及實例對比，說明電槍擰緊扭力在工藝要求范圍內(nèi)，同時可以通過監(jiān)控角度有效監(jiān)控螺栓拉伸，防止拉伸連桿逃逸。

試驗目的：尋找連桿螺栓能承受的最大動態(tài)扭矩。

試驗方法：將連桿螺母擰緊目標扭矩從33 N·m改到50 N·m，轉(zhuǎn)速不變。

試驗結(jié)果：螺栓在扭矩達到大約38 N·m時擰緊曲線開始出現(xiàn)異常（見圖4），此時角度監(jiān)控值為112.85°，程序中設置的扭矩監(jiān)控值為29°~102°，由此說明程序可以有效監(jiān)控螺栓是否拉伸，連桿螺栓可承受的最大動態(tài)扭矩為38 N·m，擰緊完成后拆解發(fā)現(xiàn)螺栓已滑牙。

圖4 連桿螺栓最大動態(tài)扭矩試驗曲線

3.2 零件分析

3.2.1 連桿螺栓分析

連桿螺栓拉伸，從螺栓本體來分析可能是熱處理不良，可能是螺栓有裂紋，從這兩個方面展開調(diào)查。對連桿螺栓進行尺寸檢測、螺紋檢測、機械性能試驗和金相組織檢測，檢測結(jié)果都為合格。為進一步確認連桿螺栓是否異常，現(xiàn)場重新試驗。

試驗方法：隨意取5個連桿螺栓螺母，用專用夾緊力設備測試，轉(zhuǎn)速10 r/min，觀察連桿螺栓夾緊力和屈服點。

試驗結(jié)果：數(shù)據(jù)顯示連桿螺栓屈服點為47~50 N·m，其屈服夾緊力為47~51 kN（見圖5）。從目前所有拉伸的連桿螺栓曲線顯示，問題件連桿螺栓在30.2~32.8 N·m就發(fā)生屈服，根本沒達到目標設定值33 N·m.

圖5 連桿螺栓拉伸試驗曲線

3.2.2 扭矩系數(shù)測量原理

根據(jù)經(jīng)典理論，螺栓連接的預緊力矩T與預緊力F有以下關(guān)系[3-4]:

式中：T為預緊力矩；T1為螺紋副中的力矩；T2為支撐面（螺帽或螺母與角鋼的接觸面）的力矩；F為預緊力；d2為螺紋中徑；a為牙型角；λ為螺紋升角；μ為螺紋間的摩擦系數(shù)；μ1為支撐面間摩擦系數(shù)；dn為支撐面的平均直徑（力矩意義上）。

引入螺栓公稱直徑d，式（1）作一定變換，可得

其中：

K即為工程中常用的扭矩系數(shù)。

若螺栓被拉伸，直接原因是提供軸向拉力已經(jīng)大于螺栓預緊力F，因在制造過程中無法直接控制輸出的預緊力，只是間接控制扭矩T從而達到控制提供預緊力F.從式（2）中得，在輸出扭矩一定、螺栓公稱直徑不變的情況下，預緊力F增大，說明扭矩系數(shù)K變小。從現(xiàn)場問題分析的，影響扭矩系數(shù)的主要因素為螺紋間的摩擦系數(shù)、支撐面間摩擦系數(shù)。從連桿加工工藝和測量連桿表面粗糙度來看，影響摩擦系數(shù)的主要是螺栓清洗，抽樣檢測各種組合的清洗摩擦系數(shù)（見表2），螺栓清洗工藝不一樣，摩擦系數(shù)明顯不一樣。根據(jù)螺栓不同清洗方式，供應商每種各提供2 000臺發(fā)動機的連桿做測試，現(xiàn)場測試過程中每種清洗方式的連桿螺栓都有拉伸（見圖6），拉伸數(shù)無明顯差異，且無規(guī)律。從以上零件測量、分析及試驗數(shù)據(jù)可判斷，零件不是連桿螺栓拉伸的主要問題。

表2 連桿螺栓摩擦系數(shù)檢測

圖6 測量摩擦系數(shù)連桿螺栓拉伸量

3.3 裝配工藝對比分析

此發(fā)動機在兩個基地同時生產(chǎn)，其中一個基地發(fā)生連桿螺栓拉伸時，另一個基地未發(fā)生任何問題，鑒于此對比了兩個基地裝配工藝。對比連桿螺栓擰緊工藝（見表3），同一種連桿螺栓擰緊工藝是一模一樣。對比擰緊不合格曲線，發(fā)現(xiàn)螺栓擰緊不合格停止的邏輯不一樣（見圖7），發(fā)生問題的生產(chǎn)基地1連桿螺栓擰緊不合格時強制停止條件是必須達到時間，而未發(fā)生問題的生產(chǎn)基地2連桿螺栓擰緊不合格時強制停止條件是超過角度監(jiān)控范圍，其中生產(chǎn)基地1使用的是阿特拉斯擰緊系統(tǒng)，而生產(chǎn)基地2使用的是BOSCH擰緊系統(tǒng)，兩個公司擰緊系統(tǒng)邏輯設置不一樣。為了讓生產(chǎn)基地1螺栓擰緊在超過102°停止，通過換算監(jiān)控時間為0.61 s，將最后一步擰緊監(jiān)控時間設置為0.61 s，連桿螺栓拉伸問題解決。連續(xù)跟蹤3個月，連桿螺栓拉伸數(shù)直接降低為0，問題解決。

表3 兩基地連桿螺栓擰緊工藝對比

圖7 兩基地擰緊不合格停止邏輯對比

4 結(jié)束語

本文對于連桿拉伸問題雖然從優(yōu)化連桿螺栓擰緊不合格邏輯解決了此問題，但問題排查過程卻比較繁瑣。因螺栓連接過程本身就是一個多因素的過程，考慮因素頗多，本文只是針對一些比較典型的原因排查作了說明和分析，但在實際問題解決過程中問題的分析遠比文中提到的一些分析要復雜。另外對于發(fā)動機關(guān)鍵運動件的連接控制，最好常用扭矩加上角度的擰緊控制策略，即方便制造系統(tǒng)的實施，這樣可以避免制造過程中出現(xiàn)的扭矩達到設計要求，但實際上提供的夾緊力不夠?qū)е侣菟ǖ乃擅撌录?，同時制造過程也可避免過度拉伸。此文過程分析，對于螺栓拉伸分析提供比較有利的分析思路。

[1]王朋，陳安生，張會武，等.螺栓扭矩系數(shù)影響因素的試驗研究[J].實驗力學，2013，28（3）：307-313.

[2]王象武.某發(fā)動機連桿螺栓斷裂分析[J].工藝材料，2011（02）：53-55.

[3]成大先，王德夫，姬奎生，等.機械設計手冊[M].5版.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[4]徐景華，孫維恒.緊固件產(chǎn)品選用手冊[M].北京：中國標準出版社，2010.

Analysis and Solution of the Extension Problem of the Connecting Rod Bolt of an Engine

WANG Xiao-juan，ZHU Jun
（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Baojun base Powertrain Plant，Liuzhou Guangxi 545007，China）

There is a con-rod bolt tensile problem for 1 year in the engine assembly line of SOP.Analyzed the reasons from equipment，parts and the tightening process and compared various test result，eventually locked the connecting rod bolt tensile reason that is the tightening process logic control.The optimization of the tightening logic control has solved the problem of connecting rod bolt tensile quality.The breakthrough of this problem provides a very favorable analysis method for connecting rod bolts in manufacture field.

con-rod bolt；bolt tensile；bolt joint；torque coefficient

TK421

：B

：1672-545X（2017）01-0177-03

2016-10-26

王小娟（1987-），女，湖北洪湖人，工程師，工學學士，研究方向：主要負責發(fā)動機裝配線建設、裝配線運行、裝配線在線測試及螺栓擰緊研究；朱軍（1985-），男，湖北仙桃人，工程師，工學學士，研究方向：主要負責制造系統(tǒng)的開發(fā)及運維。