某發(fā)動機連桿螺栓動態(tài)扭矩下限值的研究

牛自強，王小娟，張 嬌

（上汽通用五菱汽車股份有限公司發(fā)動機制造工程科，廣西 柳州545007）

螺紋緊固件幾乎在所有的機械設(shè)備上使用，因此螺紋聯(lián)接技術(shù)是確保機械系統(tǒng)可靠性的根本。發(fā)動機關(guān)鍵螺栓采用的均是扭矩+轉(zhuǎn)角控制—扭矩監(jiān)控，如主軸承蓋螺栓、連桿螺栓、缸蓋缸體連接螺栓、飛輪螺栓。擰緊螺栓的力的大小通常是由緊固扭矩表示的，然而，對螺紋聯(lián)接而言最重要的不是緊固扭矩，而是螺栓的軸向夾緊力，如圖1所示[1]，但批量生產(chǎn)中無法進行實時對夾緊力進行監(jiān)控，因此需要對動態(tài)扭矩的終值進行合理的設(shè)置，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和FTQ.連桿螺栓的動態(tài)扭矩下限值需要在保證零件的夾緊力的要求又要保證生產(chǎn)當工序的FTQ，因此其設(shè)置的合理性至關(guān)重要。

圖1 零件夾緊力/扭矩受力圖

1 連桿螺栓擰緊工藝

1.1 擰緊工具

某發(fā)動機連桿螺栓采用自動擰緊設(shè)備擰緊，如圖2，設(shè)備有4根擰緊軸自動分兩次擰緊8顆連桿螺栓，第一次擰緊4顆螺栓（如圖2：#3—#6號螺栓），第二次擰緊4顆螺栓（如圖2：#1#2#7#8號螺栓）。

圖2 連桿螺栓擰緊順序

1.2 擰緊策略

連桿螺栓屬于扭矩+角度控制法，工藝要求20 N·m+（90°±4°），根據(jù)以往機型經(jīng)驗，最終扭矩設(shè)置為38-60 N·m，公司采用Atlas擰緊工具，具體擰緊程序如表1所列，以Stp5為例，說明程序步驟的含義，該步驟以10 rpm擰緊90°；擰緊過程中最大限制扭矩不能超過65 N·m，時間不能超過5 s；擰緊結(jié)束檢查的峰值扭矩（擰緊過程最大扭矩）監(jiān)控范圍38～ 60 N·m，角度監(jiān)控范圍 86°～ 94°，關(guān)段扭矩（擰緊過程停止時的扭力）監(jiān)控范圍38～60 N·m.

表1 連桿螺栓擰緊程序

1.3 擰緊曲線

連桿螺栓擰緊曲線如圖3所示，從擰緊曲線可以看出，當螺栓在達到20 N·m時，螺栓開始計算角度，擰緊90°且角度范圍需在86～94°時，擰緊機在擰緊結(jié)束后，螺栓扭矩需達到38～60 N·m的范圍內(nèi)，此范圍可以對螺栓扭矩進行實時監(jiān)控。

圖3 連桿螺栓角度-扭矩曲線

2 生產(chǎn)問題

某發(fā)動機連續(xù)4個月生產(chǎn)數(shù)據(jù)如圖4所示，共計38 000臺，其中小于38 N·m有1 520臺，占比96%，距離目標（99%）差距較大，對裝配線的運行效率、節(jié)拍提升及產(chǎn)能輸出影響較大，團隊根據(jù)七鉆分析法，對生產(chǎn)線一系列問題進行分析，前四鉆均未發(fā)現(xiàn)異常。進行第五鉆的工藝過程分析，需對螺栓的動態(tài)扭矩范圍值進行重新計算。目前車間現(xiàn)場實時監(jiān)控的是終扭矩T，但需保證零件的軸向力F合格，因此需對終扭矩T進行重新計算。如圖4所示。

3 連桿螺栓動態(tài)扭矩上下限計算

3.1 扭矩T上下限的理論計算

連桿螺栓信息：M8×1×45，10.9 級，相關(guān)參數(shù)如下：螺栓大徑d=8；螺栓中徑d2=7.35；支撐面直徑dw=14；螺紋通孔直徑dh=9.4；螺距 P=1；螺紋摩擦系數(shù) μ =0.09～0.12；夾緊力 F=31～43 kN（根據(jù)圖紙要求）。

支撐面的摩擦扭矩直徑：

扭矩系數(shù)：

扭矩值：

根據(jù)計算結(jié)果動態(tài)扭矩上下限值為34～60 N·m

3.2 夾緊力測試

對連桿螺栓進行夾緊力測試，測量24顆連桿螺栓結(jié)果如表2所示，其夾緊力均符合31～43 kN要求。軸向力隨著擰緊時間的變化，如圖5所示，其夾緊力在32.5 kN之前均隨著時間呈線性變化，在t=475 s時，螺栓才擰緊屈服斷裂，而目前連桿正常擰緊過程僅為4.5 s，因此可以保證螺栓在滿足相應(yīng)的夾緊力的條件下不會斷裂失效，螺栓夾緊力和扭矩的關(guān)系如圖6所示，從圖中可以看出扭矩在34 N·m時，軸向夾緊力為37 kN，符合產(chǎn)品要求。

表2 夾緊力試驗數(shù)據(jù)

圖5 時間-扭矩變化曲線

圖6 螺栓T-F-μ關(guān)系

4 驗證

跟蹤驗證2個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如圖7所示，共計118臺不合格，其中36～38 N·m有108顆，占比93%，因此將動態(tài)扭矩上下限值由38 N·m調(diào)整為36 N·m可以解決批量生產(chǎn)中的FTQ問題。

圖7 生產(chǎn)不合格數(shù)據(jù)