发动机螺栓拧紧技术

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【摘 要】发动机装配工艺主要涉及螺栓拧紧、各零部件密封和摩擦副，其中影响螺栓拧紧扭矩的因素较多：操作者、拧紧工具、拧紧方法和拧紧材料（螺栓或螺母）。为进一步提高发动机的质量，螺栓的扭矩精度控制越来越高。本文以国内某发动机厂提升螺栓拧紧扭力控制精度为例，叙述了发动机螺栓扭矩动态拧紧和静态检测的主要内容和注意事项，为有类似需求的企业和技术人员提供思考的空间。

【关键词】发动机 螺栓拧紧 动态扭矩 静态检测

作为我国汽车零部件行业中的重要的一环，发动机零部件制造工艺技术如机加工、焊接、冲压、喷漆已经达到了世界一流水平，但发动机的螺栓拧紧技术与世界先进水平仍存在一定的差距。尽管近年来，发动机的质量水平在逐步升高，但螺栓拧紧技术与国外相关技术的研究有一定的差异，螺栓拧紧的差异会严重影响发动机的质量。

发动机的螺栓拧紧是一个比较复杂的过程，主要影响因素有拧紧工具、拧紧方法、拧紧顺序和禁固件的表面粗糙度等，螺栓拧紧扭矩分为动态扭矩和静态扭矩，动态扭矩是指紧固件在被紧固过程中测量得到的峰值，在拧紧过程中测量的；静态扭矩是指紧固件被紧固之后，将其在拧紧方向上继续拧紧方向继续旋转瞬间所需要的扭矩，又称检测扭矩。

因此，螺栓拧紧需要根据不同拧紧工具、拧紧方法、拧紧顺序和禁固件的表面粗糙度制定其检测扭矩。

1 螺栓紧固原理

螺栓连接的目的是使两被连接件紧密贴合，并为承受一定运动载荷，还需要两被连接件间具备足够的夹紧力，以确保被连接件的可靠连接和正常工作。而夹紧力需要通过对螺栓施加扭矩进行转换，施加的扭矩50%克服螺栓头下摩擦力，40%克服螺纹副的摩擦力，剩余10%转换成夹紧力（如图1）。

图1

2 螺栓拧紧方法

紧固件的夹紧力依靠

2.1 扭矩控制法（T）

扭矩控制法是最开始同时也是最简单的控制方法，它是当拧紧扭矩达到某一设定的控制值，立即停止拧紧的控制方法。

2.2 扭矩-转角控制法（TA）

扭矩-转角控制法首先将螺栓拧紧到一个不大的扭矩后，再从此点开始，拧紧一个规定的角度的控制方法。其优点是螺栓轴向预紧力精度高，可以获得较大的螺栓轴向预紧力，其数值可集中在平均值附近。

2.3 屈服点控制法（TG）

屈服点控制法是利用材料屈服的现象发展起来的一种高精度控制方法。是通过对拧紧的扭矩/转角的斜率的连续计算和判断来确定屈服点的。其拧紧精度非常高，误差能控制在±4%之内，但其精度主要取决于螺栓本身的屈服强度。

2.4 落座点-转角控制法（SPA）

落座点-转角控制法是在扭矩-转角控制法的基础上发展起来的，采用扭矩曲线的线性段与转角的A的坐标交点。其优点是摩擦系数对螺栓轴线预紧力的影响几乎可以完全消除。

2.5 螺栓伸长法（QA）

螺栓伸长法是通过测量螺栓的伸长量来确定是否达到屈服点的一种控制方法。虽然每个螺栓的屈服强度不一致，会给螺栓的拧紧带来误差，但其误差一般非常小。

3 拧紧工具

根据螺栓拧紧工具可以将分为三大类，电动拧紧工具、风动拧紧工具和手持定扭扳手，风动拧紧工具分为油压脉冲扳手和冲击扳手。电动拧紧工具的控制精度为3%-5%，油压脉冲扳手的控制精度为10%-15%，手持定扭扳手的控制精度5%-10%。

4 扭矩测量与质量控制

4.1拧紧结果的检测方法

螺栓使用拧紧工具拧紧后，需要对拧紧效果进行检测。检测扭矩受紧固件之间的连接形式影响较大，硬连接时静态检测扭矩大于动态扭矩值，软连接时静态检测扭矩值大于动态扭矩值。

静态扭矩的检测方法有三种：

松开法：将拧紧的螺栓使用扭矩扳手松开，读出松开的瞬时扭矩。由于螺纹升角的关系，松开的扭矩比拧紧扭矩要小，一般差30%左右。

紧固法：对已拧紧的螺栓用拧紧扳手，沿螺栓的拧紧的方向再施加一个逐渐增大的扭矩，直至螺栓再一次产生拧紧运动，读出此时的瞬时值。此方法扭矩检测偏差为实际扭矩的-5%-25%。其偏差产生的原因：在旋转螺栓的瞬时所产生的摩擦阻力不同于拧紧过程中的摩擦力，两者的摩擦系数不相同（前者是静摩擦，后者是动摩擦）；同时操作人员掌握程度、用力大小、感觉偏差的影响，均会造成不同程度的偏差。

标记法：对已拧紧螺栓的位置做一个标记，将螺栓拧松之后，读出再拧紧到原来位置时的扭矩值。此方法的扭矩检测偏差为实际扭矩的-12%-+5%。

4.2螺栓拧紧与检测

螺栓的拧紧和检测要综合考虑紧固件的材料、拧紧方法、拧紧工具等。下面将以国内某知名发动机及企业（简称A公司）的螺栓拧紧和检测进行论述说明。

A公司以建设新发动机生产线为切契机，提高发动机的装配质量，借鉴同行业先进的拧紧技术进行生产线的设计。关键部位的零部件使用电动扳手拧紧，中等特性的零部件使用定扭扳手进行拧紧，特性要求低的零部件使用油压脉冲扳手进行拧紧。

螺栓的一部分拧紧工艺是由产品开发时制定的；螺栓的一部分拧紧工艺是由工艺部门在生产过程中进行开发或改进，拧紧工艺的改进需要依据检测的结果。A公司为了提高螺栓的拧紧精度，使用紧固法测量螺栓拧紧后扭矩，建立各零部件的检测标准。

A公司的工艺部门对螺栓拧紧检测积累大量的数据并制定了检测标准，下列主要列举两种零部件的拧紧检测，一种是硬连接，一种是软连接。

软连接：拧紧时使用电动扳手拧紧，螺栓的拧紧均值值是115.15Nm，标准偏差（Sigma）0.10，3Sigma是0.30，扭矩值如表1。

故将此螺栓的拧紧检测标准制定为131Nm-149Nm。

螺栓的检测标准制定的注意事项：

（1）需要依据检测零部件的连接特性、测量的拧紧结果；

（2）对检测人员进行培训，并进行MSA统计分析，提高检测精度；

（3）根据零部件连接的差异，建立适应本公司产品的检测标准。