发动机连杆的螺栓装配设备与工艺

郑黎明

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

0 引言

连杆是发动机的重要承力零件。当发动机工作时，活塞往复的运动通过连杆转换为曲轴的转动，连杆时刻承受着交变载荷，因此连杆质量直接关系到发动机的安全性能［1］。连杆在结构上包括大头端和小头端，大头端连接在曲轴上，小头端连接在活塞上。大头端被剖分为连杆盖和连杆体两部分，经螺栓连接使杆端和体端啮合，最终连杆的大头端才能够被装配到曲轴上。连杆工作时，螺栓承受了大部分载荷，一般情况下需对连杆的轴向预紧力进行严格控制，这对螺栓材料和螺栓加工工艺提出了很高的要求［2］。连杆螺栓通常选用扭矩/转角法进行装配［3-4］，因此发动机连杆的螺栓装配工艺对于连杆质量控制具有重要的意义。连杆螺栓自动装配设备是控制装配质量的关键，本文开发连杆螺栓专用装配设备，并针对某α 型轿车连杆，根据该连杆螺栓的具体装配要求，利用该装备对螺栓装配工艺进行研究。

1 连杆螺栓专用装配设备

螺栓专用设备在机械结构上可以分为螺栓自动上料系统和定扭矩拧紧系统两部分，具体功能包括螺栓自动上料、装配和定扭矩拧紧。本设备由底座、连杆定位机构、螺栓翻转与导向机构、定扭矩扳手进给机构、螺栓自动分离机构、螺栓输送管等构成，结构如图1 所示。

螺栓振动上料系统又包括振动料斗、输料轨道、螺栓分离机构。振动料斗和输料轨道均利用磁致振动的原理，将螺栓依次排序，并输送至分离机构。分离机构利用分离块将2 个螺栓分别送入2 根输料管内。振动上料系统与定扭矩拧紧系统通过输料管相连。定扭矩系统完成螺栓装配和拧紧任务。由输料管送来的螺栓被翻转一定角度，经导向机构送入连杆大头端的螺栓孔内，定扭矩扳手送进，并按照规划装配工艺完成螺栓装配。

螺栓装配设备选用德国博世SYSTEM300 型拧紧系统，扳手扭矩工作范围在20～90 N·m。该拧紧系统由拧紧轴、控制单元和工控机组成。

图1 螺栓初拧紧工位结构

2 螺栓装配工艺要求

图2 α 型连杆照片

α 型连杆为轿车连杆，它选用C70S6 材料的整体锻造毛坯，然后采用裂解加工方法，完成连杆盖与连杆体的分离，通过螺栓完成杆与体的啮合。啮合面将限制连杆盖与连杆体的相对位置，连杆工作时，螺栓只承受拉应力，不承受剪应力。α 型连杆结构如图2 所示，整体重量为349±15 g。螺栓信息如下：规格为M8×0.75，原始长度为47 mm，材料为SCM435。螺栓装配分为一次装配和二次装配，一次装配要求在弹性区域内夹紧，主要完成连杆大头孔断裂面的整理任务；二次装配要求在可塑区间内夹紧，要求轴向预紧力稳定在30 380±980 N。

螺栓的轴向预紧力仅与螺栓的轴向伸长量有关［5-6］，在弹性区间内夹紧时，卸载后的轴向伸长为零，在可塑区域内夹紧时，卸载后的轴向伸长量为正。螺栓生产厂家对螺栓进行了特定的物理拉伸试验，该试验结果表明，卸载后的螺栓伸长量在0.14～0.17 mm 范围内时，能够保证螺栓二次装配的轴向预紧力满足要求。

3 螺栓装配试验

连杆螺栓在其装配过程中只允许发生两次塑性变形，分别是连杆制造过程预装配和连杆在发动机上的终装配。在连杆制造过程的预装配又包括一次装配和二次装配，本文在自主开发的专用连杆螺栓装配设备（见图3）上进行螺栓一次装配和二次装配试验。

图3 连杆螺栓装配设备

3.1 一次装配试验

选取若干连杆，利用图3 所示设备，采用扭矩/转角法进行一次装配，参数为20 N·m+25°。任取其中3 支连杆，将螺栓卸载后，采用千分尺测量6 只螺栓的轴向伸长量，结果如表1 所示。由表1 可知，在一次螺栓装配过程中，螺栓基本未发生塑性变形，仍处于弹性变形阶段。所有螺栓伸长变形均由弹性变形提供，这符合螺栓初拧紧工序的加工要求。

3.2 二次装配试验

选取若干连杆，利用图3 所示设备，采用扭矩/转角法进行二次装配，参数为20 N·m+95°。任取其中5 支连杆，将螺栓卸载后，采用千分尺测量10 只螺栓的轴向伸长量，结果如表2 所示，可知最大的螺栓伸长量为0.17 mm，最小的螺栓伸长量为0.14 mm，全部螺栓伸长量均在0.14～0.17 mm 范围内。螺栓的平均变形量为0.16 mm，平均变形量在0.14～0.17mm 范围内，能保证螺栓轴向力的要求。

调取设备记录的扭矩转角关系监测曲线，如图4所示。当扳手开始拧紧时，螺栓头部扭矩基本保持在4 N·m，此时表现为摩擦扭矩。继续加载后，扭矩值缓慢升高，当扭矩达到20 N·m 时，设备停止加载。在此基础上，扳手开始施加转角载荷，带动螺栓转过工艺规定的95°。当螺栓转角为50°时，检测到的扭矩值与螺栓转过角度不再呈线性关系，说明螺栓此时开始发生塑性变形，此时螺栓达到屈服点。当转角为95°时，螺栓已超过屈服点，螺栓伸长变形包含弹性变形和部分塑性变形，因此螺栓轴向力夹紧方式为可塑区域内夹紧。从扭矩监测数据可知，螺栓头部施加的扭矩值在37～44 N·m 范围内。

表2 二次装配的螺栓伸长量 mm

图4 扭矩转角检测曲线

4 结语

针对某型轿车发动机连杆的螺栓装配的轴向力要求，确定了螺栓的轴向伸长量，采用扭矩转角法，利用自主开发设备经行了该连杆的螺栓装配试验，确定了一次拧紧的工艺参数为20 N·m+25°，二次装配的拧紧工艺参数为20 N·m+95°，在以上工艺参数下，能够满足该型连杆螺栓装配的具体工艺要求。

［1］何元章，夏国祥，王文建，等.某发动机连杆断裂原因分析的研究［J］.内燃机与配件，2012（2）：23-25，29.

［2］刘家满，王书庆，郭洪山，等.C70S6 胀断连杆挤压螺纹质量的检测评价参数［J］.物理测试，2013，31（3）：22-24.

［3］朱正德，林湖.基于螺栓装配技术中扭矩法与扭矩/转角法比较与应用研究［J］.柴油机设计与制造，2005，14（2）：96-99.

［4］初泰安.螺栓拧紧方法及预紧力控制［J］.化工设备与管道，2005，42（3）：8-10.

［5］赵立海，来庆秀.汽轮机汽缸中分面螺栓伸长量测量方法及应用［J］.汽轮机技术，2009，51（3）：239-240.

［6］杨明富.用伸长测量法确定活塞空压机连杆螺栓预紧力［J］.有色设备，2004（1）：8-11.