高精拧紧工具在发动机装配中的应用

覃尚第，谢斌明

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 发动机制造部设备管理科，广西 柳州 545007）

发动机螺栓的拧紧力矩，是发动机总成装配的关键力矩，其直接影响到发动机的性能。广泛应用于全球领先的工业生产解决方案供应商阿特拉斯·科普柯集团工具，其拧紧机的最高等级，可达100 万次，拧紧后的测试精度，仍然保持在±2.5%范围内，测试结果是基于联合测试方式，其硬连接为30°，软连接720°。

本文主要介绍ATLAS 拧紧工具拧紧方式的改进及其在发动机装配中的应用。

1 ATLAS 拧紧工具基本拧紧技术

1.1 装配过程最基本的要求

（1）提供足够的残余预紧力以克服所有可能的外力；

（2）确保装配过程中螺栓不会被损坏；

（3）检测并指示产品和过程错误；

（4）为保证品质，系统提供装配过程的信息和数据。

1.2 夹紧力的数学模型

考虑如下参数，建立一个简单的数学模型（如图1）。

图1 夹紧力的数学模型示意图

（1）螺栓连接特性。如图2、图3 所示。

图2 螺拴夹紧力与角度线性图

图3 扭矩与角度线性图

夹紧力在贴合后，随着角度线性增长，可以描述为：

夹紧力F=k×A。

k 是force rate（力率、力比），定义为dF/dA；

A 是角度，表示螺栓转过的角度；

k 对一个给定的设计来说，主要与几何公差有关。

（2）轴向力－扭矩的关系。夹紧力F 通过螺拴头下摩擦、螺距和螺纹副摩擦转化为扭矩，公式如下：

Torque=F(p/2π+（μtrt）/cos β+μnrn)

其中，

Torque 为扭矩T；

F 为螺栓受力；

p/2π 表示这部分螺纹受力拉伸，p 为螺纹拉伸程度；

（μtrt）/ cos β 表示这部分需要克服螺纹摩擦力，μt为螺纹摩擦力，rt为螺纹有效半径；

μnrn表示这部分需要克服螺母贴合面摩擦力，μn为螺母摩擦力，rn为螺母有效半径。

（3）螺栓连接模型－塑性变形阶段。如图4所示。

图4 螺栓连接的夹紧力、扭矩与角度塑性变形曲线图

当螺栓拧紧时，轴向力和扭转力最终共同作用到螺栓上，直至螺栓发生屈服变形，即螺栓出现了永久的伸长变形，拧紧后可以测量出来（如图5 所示）。

图5 螺栓作用力分布图

这种永久变形，其最开始出现在螺栓体最外圈，然后逐步向内圈扩展。如果某处的应力超过了材料极限，螺栓就会开始断裂（如图6 所示）。

图6 螺栓拧紧示意图

（4）螺栓连接模型－弹性变形阶段。如图7 所示。弹性阶段的夹紧力范围，主要与材料的屈服点有关，与连接的软硬程序及摩擦系数有些许关系。

图7 弹性变形曲线图

对高强度等级的材料，力率会有一个明显的下降，即曲线变平。而对低强度等级的材料，这个趋势并不明显。最终螺栓都会断裂。从屈服点开始到螺栓断裂转过的角度，与夹紧长度关系非常大，一般来说是在几百度的范围内。

1.3 拧紧方法的分类

ATLAS 拧紧工具拧紧方法的分类——按工具控制方式分有两类：

一是，基于扭矩或角度的方式。其中，在弹性范围内的，有扭矩控制，角度控制，连接控制；超出弹性范围的，有角度控制，梯度（扭矩变化率）控制，即屈服点控制；

二是，其他方式。超声波和机械测试伸长量控制。

（1）扭矩控制（如图8 所示）。扭矩控制方式，利用的是人们熟知的扭矩与张紧力之间的关系公式。扭矩控制方式在出现最大摩擦系数和最小力率（Force Rate）时，提供最小的夹紧力，反之亦然。

图8 扭矩与夹紧力示意图

扭矩控制方式的优势是：容易实现不同精度等级的控制，从±25%的脉冲型工具到±1%的拧紧轴工具，巨量的产品和过程设计的标准数据历史悠久，设备的有效性校验过程非常容易。

劣势是：夹紧力的精度很差，可能到±60%，受摩擦系数影响大，没有根本办法防止螺拴断裂。以上两个原因，导致螺栓能力利用率低，约为- 60%。

（2）弹性区域角度控制（如图10）。弹性区域内的角度控制，避免了的摩擦系数大范围变动对夹紧力的影响。其通过控制转角来拧紧，利用了力率变动较小的优势。

图9 拧紧规范

图10 弹性区域角度控制示意图

弹性区域角度控制优势是：相对容易实现，过程和产品的有效性相对容易检查，现场维修的成本和精度可以接受，螺栓利用率得到大大提高。

其劣势是：标准的拧紧规范，通常不能直接使用，必须做一些连接分析、实验室分析工作，无法使用扭力扳手复紧来校验，工具同时需要扭矩和角度测量能力。

（3）塑性区域角度控制。将螺栓拧过屈服点以上的塑性区域，最大限度地利用螺栓材料本身强度的屈服点，稳定轴向预紧力，提高螺栓的疲劳性能。

图11 塑性区域角度控制示意图

塑性区域角度控制的优势是：摩擦力影响降到最低，最大程度上利用螺栓的能力。

其劣势是：生产条件下检验工具性能很困难，设置和校验产品参数的费用较高，螺栓一般无法重复使用。

（4）梯度（扭矩变化率）控制、屈服点控制。通过对扭矩- 转角曲线斜率的连续计算和判断计算屈服点的，就是说在拧紧过程中，需要测量螺栓自然长度，在拧紧过程中螺栓受到监控，针对每个螺栓，并在最大梯度下降时，判断其最大梯度和屈服点。

图12 梯度控制与屈服点控制示意图

梯度（扭矩变化率）控制、屈服点控制的优势是：螺栓进入塑性阶段一个小角度，最大程度利用螺栓的能力；螺栓可以重复利用几次；夹紧力精度很高，拧紧效果不受弹性系数即力率Force Rate K 的影响。当需要用许多螺栓固定的情况下，如气缸盖，在设计上有时需要对不同位置使用不同螺栓，弹性系数不同，但这只影响屈服点的角度，夹紧力最大值总是在屈服点附近。

其劣势是：需要做连接分析和实验室工作，过程的检验困难，拧紧、修复螺栓比较困难，设备昂贵。

2 拧紧方式的具体应用

2.1 拧紧基本策略

某工厂发动机总成装配，目前拥有手持式拧紧枪60 多把，拧紧轴90 条。手持式工具大多采用两步拧紧策略（扭矩控制角度监控方式），其夹紧力精度很高，拧紧效果不受弹性系数（即力率Force Rate K）的影响。当需要用许多螺栓紧固的情况下，如进气歧管螺栓，在设计上，有时需要对不同位置使用不同螺栓，弹性系数不同，但这只影响屈服点的角度，夹紧力最大值总是在屈服点附近（如图13）。

图13 扭矩控制角度监控方式

拧紧轴则根据螺栓的特性，选择不同的拧紧方式，如缸盖螺栓拧紧方式：

采用先拧紧4 500°→拧紧到10 N·m →拧紧到49 N·m→返松1 440°→拧紧到10 N·m→拧紧到23 N·m →角度拧紧82°，整个过程采用同步拧紧和最终扭矩和角度的检查，程序如图14 所示。

图14 同步拧紧和最终扭矩和角度检查方式

2.2 品质问题解决案例

（1）发动机连杆螺栓滑牙问题。连杆总成是发动机的重要部件，而连杆螺栓紧固力矩，是发动机总成装配的关键力矩，其好坏直接影响着发动机的品质。在连杆螺栓的拧紧过程中，出现了数次螺栓静态扭力在合格范围内，但需要重复拧紧导致螺栓滑牙，使连杆报废。连杆的拧紧程序如图15 所示，先同步拧紧到10 N·m，然后拧紧到33 N·m。

由拧紧曲线图可以跟踪分析得出，部分螺栓由于螺纹副或者螺栓的批次的不同，在拧紧过程所受的摩擦力不同，连杆螺栓在同步拧紧到10 N·m 过程中，部分螺栓一开始的扭力就达到了12 N·m 左右，而从10 N·m 拧紧到33 N·m 过程中，螺栓克服了螺纹副的摩擦力，扭力迅速降低到10 N·m 以下，再继续进行拧紧到33 N·m，最终结果不合格，需要返松螺栓再进行拧紧，螺栓的重复拧紧，造成螺栓滑牙断裂，连杆报废。

图15 发动机连杆螺栓拧紧程序

ATLAS 的拧紧软件，可以准确地跟踪螺栓的整个拧紧过程，针对此问题，对拧紧方式做了改进。

增加了同步拧紧到20 N·m，并在此步骤进行检查，需要在16～24 N·m 之间才为合格，并将拧紧斜率由300 r/min 提高至400 r/min，改进后螺栓拧紧合格率明显提高，连杆的报废率大大降低，问题得到解决。

改进程序如图16 所示。

图16 修改后的发动机连杆螺栓拧紧程序

（2）排气歧管双头螺柱拧紧不合格问题。发动机排气歧管双头螺栓，使用是手持式电枪拧紧，其材料为自锁铜螺母，在生产过程中，出现了较频繁的螺母拧紧不合格现象，导致螺母报废率很高，拧紧目标扭矩（22±4）N·m，采用两步拧紧，先到17 N·m，再到22 N·m。

程序如图17 所示。

图17 发动机排气歧管双头螺栓拧紧程序

铜螺母材质较软，容易变形，螺母副的摩擦力较大，由拧紧软件的曲线图跟踪分析得到：第一步中扭矩大多都到了20 N·m，这比第一步扭矩13 N·m 大出了7 N·m 之多，这是导致螺母拧紧不合格的要因。

根据螺栓拧紧特性和曲线图的追踪得出，螺母从开始拧紧到达15 N·m 之间旋转的角度约为2 000°，于是对拧紧方式进行改进，将程序改进使用快步拧紧，启用高速运转，启动电枪先高速运转到2 000°，再进行到22 N·m，这样可以将自锁螺母的螺母副过大摩擦力消除，提高了合格率，减少了零件的报废。

改进程序如图18 所示。

图18 修改后的发动机排气歧管双头螺栓拧紧程序

（3）发动机飞轮螺栓存在扭矩过大，且不稳定的问题。飞轮是转动惯量很大的盘形零件，其作用如同一个能量存储器。在做功行程中，发动机传输给曲轴的能量，除对外传输外，还有部分能量被飞轮吸收，从而使曲轴的转速不会升高很多。在排气﹑进气和压缩这3个行程中，飞轮将其存储的能量放出来，补偿这3个行程所消耗的功，从而使曲轴转速不致降低太快。

另外，飞轮是摩擦式离合器的主动件，在飞轮轮缘上镶嵌有供起动发动机用的飞轮齿圈等。飞轮的品质问题，对发动机是重中之重，飞轮的螺栓良好拧紧，是飞轮关键性工序。

在飞轮螺栓拧紧过程中，采用3个拧紧轴同时拧紧，分两组完成。工作过程出现了阶段性的飞轮螺栓扭力不稳定，拧紧轴发热过大，静态扭矩经常超出要求范围等情况，经过检查飞轮和螺栓，都无品质问题，于是在工具上重新做了标定，标定结果，3个拧紧轴精度都在1%合格范围内，更换了拧紧轴、线缆﹑对换控制器等，都无明显的改善。由拧紧曲线图对螺栓进行拧紧分析，如图19 所示。

图19 发动机飞轮螺栓拧紧曲线

图中为3个螺栓拧紧过程的曲线图。

由曲线图可以看出：有一个螺栓的拧紧，与其他两颗螺栓曲线图存在差异，时间上滞后了约40 ms。根据螺栓特性可知，后达到扭矩的螺栓，所拧紧的硬度，要比其他两颗拧紧的硬度要大，而硬连接的静态扭矩抽检是会偏大，因此会出现只要3 颗螺栓拧紧过程出现不同步问题，就可能出现其中某个螺栓的静态扭矩偏大。

针对问题判断出，经常出现扭矩偏大的，为同一个拧紧轴所拧紧。于是对控制器进行更换，并对3个拧紧枪的控制器版本进行重新刷新，升级至同一版本。实施措施后，跟踪拧紧结果，曲线图如图20 所示，问题得到了解决。

3 结束语

图20 更换控制器后的发动机飞轮螺栓拧紧曲线

运用高精度的拧紧工具进行发动机的装配，同时熟悉拧紧基本理论及拧紧工具的工作原理，根据不同的工艺要求和零件材料特性，选用不同的拧紧方式，提高发动机装配品质；通过观察拧紧曲线，可以发现拧紧过程中出现问题的原因，从而解决发动机装配中的螺栓拧紧问题。

[1]张甫生. 采用屈服点拧紧发的螺栓联接计算方法[J]. 机械设计，1989，（2）：30-34.