发动机拧紧技术浅析

郑峥

摘要：在发动机装配过程中，大量零件依靠螺栓拧紧装配在一起。拧紧工具的选择，拧紧水平的高低很大程度上决定了发动机的质量。文章通过对拧紧基础知识的介绍让读者了解拧紧的本质，对常见的拧紧工具进行优劣势分析为后续工程技术人员对于拧紧工具的选择提供一定的参考。同时针对日常工作中遇到的拧紧问题的电枪曲线进行案例分析，希望读者掌握先进电动工具的管理方法。

关键词：轴力计算、冲击扳手、电动工具、QSP、拧紧缺陷

螺纹连接是一种可拆卸的固定联接，它具有拆装方便，结构简单，可靠性强等优点，广泛应用于机械制造行业。发动机装配过程中存在大量螺栓拧紧的过程，拧紧的结果直接影响发动机质量。发动机一旦发生故障就存在较大安全风险，各大主机厂纷纷进行了大量的研究和试验，对螺栓装配工艺进化优化。我们需要了解拧紧的基本过程和知识，不同拧紧工具该如何进行选择，以及使用如何通过拧紧曲线及时发现拧紧过程中的问题。

1拧紧基础知识

拧紧的本质是为了使用螺栓将两个零件连接在一起，无论使用何种工具拧紧，都是为了让螺栓获得轴力，从而将零件固定住不发生分离或泄漏。而轴力通常无法直接测量，所以我们通过设定拧紧力矩来控制轴力。拧紧力矩包括以下三部分：轴力10%、底座摩擦力50%、螺牙部分的摩擦力40%，如图1。

                                   图1扭矩构成

力矩计算公式如下：

T：拧紧力矩   F：轴力 ：螺纹中径 ：螺纹部摩擦系数 ：底座摩擦系数 ：底座摩擦系数 ：螺牙半角   ：前导角

在日常工作中通常我们使用简化的力矩公式：

T：拧紧力矩   F：轴力 d: 扭矩系数一般为0.2   d： 螺牙直径

了解了力矩的组成和计算公式之后，就可以轻松知道哪些因素会影响最终的轴力。同样的力矩施加到螺栓上，由于摩擦力的不同会产生不同的轴力，从而对拧紧结果产生影响。在发动机生产过程中，机油不慎滴入螺栓孔通常会带来摩擦力的改变，螺牙的磕碰也会导致摩擦力的异常增加，日常工作中一定要避免这样的情形。

2发动机装配过程中拧紧工具的选择

拧紧工具包括油脉冲扳手、冲击扳手、电枪、QSP扳手、F型扳手等类型，我们可以结合实际需求进行选取[1]。部分工具如图2。

冲击扳手：拧紧力矩大、速度快，价格低，但工作噪音较大、震动剧烈、力矩控制较困难。目前一般只能用于发动机吊耳拧紧。

油脉冲扳手：工作噪音小、拧紧速度快，价格低，但拧紧力矩较小、扭矩控制不够精准无曲线输出。通常用于螺栓预紧，可以有效缩短后续拧紧设备拧紧时间。

电枪：工作噪音小、扭矩控制精准、可检出各类拧紧问题，但价格贵、拧紧速度较慢。目前是发动机制造行业使用较多的拧紧工具，基于其拧紧曲线的监控，可以分阶段设置角度、力矩等控制范围，发现拧紧过程中的各种问题。

拧紧机：同时进行多轴拧紧，减少因拧紧先后不同顺序导致的贴合面形变，同时可以实现拧紧曲线的精准监控。通常用于发动机关键零件的拧紧，如主轴承盖拧紧、连杆拧紧、缸盖拧紧、凸轮轴盖拧紧、气缸盖罩等。

协作机器人拧紧：目前协作机器人也常被应用于螺栓拧紧，它除了具备拧紧机的各种优点之外，具有较高的运行稳定性，维护成本较低。基于其拧紧点位的自学习功能，可以快速调整拧紧项目和路径，具有很高柔性。同时其具有较高安全性[2]。

QSP扳手：又称为定扭矩扳手，只能输出固定扭矩值，通常用于扭矩复检。带信号输出的QSP扳手是使用较多的类型，通常用于特殊特性或关键特性部位，如燃油轨螺栓、燃油管螺母、曲轴信号盘螺栓的复检等。

F型扳手：有表盘式和数显式，通常扭矩检测时使用。

图2：各类拧紧工具示意图

投资有限的情况下，发动机装配过程中关键零部件使用拧紧机或电枪如进气歧管、燃油轨、机油滤清器等进行拧紧，实现力矩的精准控制和拧紧曲线跟踪。部分非关键零件如机油喷射器、油底壳、链罩等零件的拧紧可结合需求选择油脉冲降低产线投资，通常质量也是可以得到有效保证的。冲击扳手因为其噪音大，力矩控制不准等缺陷，日常工作中使用较少。

3拧紧曲线分析

    拧紧过程大体上分为下述几个阶段，如图3：

①开始拧紧时，由于螺栓未落座，故压紧力为0；但是由于存在摩擦力，故扭矩T保持在一个较小的数值。

②当落座后，真正的拧紧才开始，压紧力F和力矩T随着转角的增加而迅速上升。

③达到屈服点，螺栓开始塑形变形，转角增大而压紧力和扭矩却增加较小，甚至不变。

④再继续拧紧，力矩T和压紧力F下降，直至螺栓产生断裂。

图3拧紧曲线

通常情况下联接的两个件硬度决定了曲线中弹性区的斜率。贴合面如果硬度较高力矩会快速上升，旋转较小的角度，力矩就可以达到目标值。贴合面如果有橡胶密封圈或铜垫片如气缸盖罩、油分离器、油道堵头等零件的拧紧就属于软连接，随着旋转角度增加，力矩增加较慢。这两种情况的区别可以从拧紧曲线中螺栓落座后的斜率变化轻松看出。如图4。需要注意的是软连接时螺栓力矩衰减较快，可适当提高目标力矩或采用其他防松方式。

图4软硬连接落座阶段曲线差异

拧紧过程中，电枪和拧紧机可以通过对不同阶段的斜率、速度、角度进行监控，从而保证拧紧结果，如图5。通常设定参数时还会增加对拧紧轴旋转速度的控制，进一步精确的控制拧紧结果。

图5完整拧紧曲线以及分段监控

拧紧过程中，可以采取不同的拧紧策略。包括：1、扭矩控制法，将螺栓拧紧至目标力矩，这种方法最简单易操作，目前应用也是最广泛的；2、扭矩-角度控制法，这种方法先将螺栓拧紧到目标扭矩的10%再旋转一定的角度，从而获得夹紧力的一种拧紧方法。这种方法不受螺栓头部和螺纹部位的摩擦力影响，夹紧力仅仅与螺栓的拉伸量相关，通常用于连杆、缸盖能关键螺栓的拧紧；3、屈服点控制法，屈服点控制法，在拧紧过程中拧紧设备监控曲线到螺栓已经拧紧至屈服点停止拧紧，这种方法可以较有效的保证拧紧精度，实现较大扭力。但使用这种方法拧紧的螺栓通常不可多次重复使用，必须严格按照工艺要求限定使用次数[3]。

4拧紧异常检出

    拧紧过程中可以通过扭矩、角度、IDFF角度、扭矩区域、拧紧时间等参数检出很多异常问题。包括螺牙形状不良，强度不够，零件表面异常、螺栓长短异常等各种问题。具体情况如表1[4]。

表1拧紧异常对应参数对照表

实际生产过程中案例如下：

案例1：某员工拧紧时错误的拿取了较短的螺栓，可以看到在拧紧曲线中短螺栓很快的达到了力矩值，这类情况后续通常很难发现直至流入市场。短螺栓拧紧角度明显低于正常值，电枪内如果设定了拧紧角度的范围，可以轻松发现此问题，如图6。

图6 螺栓错装曲线&实物对比

案例2：下方图例显示的是在拧紧过程中，落座阶段曲线异常。参考上方介绍的软硬连接导致的斜率变化，分析可得贴合面异物夹入，导致原先的硬连接变成了软连接，螺栓落座后拧紧曲线斜率异常。此问题可通过对第一阶段曲线斜率设置监控检出，如图7。

图7 贴合面异常曲线差异

案例3：通过对拧紧角度的监控，还可以检出如下问题：垫片少装或多装，油泵贴合面塑料堵头漏拆，涨断式连杆装反，机滤密封圈漏装或异常脱出等等，如图8。

图8 其他可检出缺陷

5结束语

随着技术的发展，越来越多的协作机器人应用于发动机拧紧过程中，这是科技发展的必然。但无论使用何种设备，对于螺纹拧紧品质管理的本质还是对拧紧曲线的解读和理解。只要充分了解各种曲线背后的底层原因，就可以轻松解决各类问题，曲线会告诉我们所有的真相。

参考文献：

[1]王晓锋，罗宏刚，魏渊.重卡装配单元螺栓拧紧工具性能对比分析,工艺装备,2018（16）:203-204.

[2]肖海,谭健祥.机器人螺栓拧紧技术在发动机装配的应用,装备制造技术,2015（9）：70-74 .

[3]李伯乐,张志存,陈荣.螺纹拧紧技术研究与应用,装备制造技术,2020（10）：167-169.

[4]张金连.发动机装配过程拧紧工艺优化,装备制造技术2023（1）：110-114.