发动机缸盖螺栓拧紧方法分析

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1、第１４卷第５期天津职业院校联合学报ＮＯ．５Ｖｏｌ．１４２０１２年５月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｉａｎｊｉｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｓＭａｙ．２０１２发动机缸盖螺栓拧紧方法分析段秋霞（天津城市建设管理职业技术学院，天津市３００１３４）摘要：为了使螺栓达到所要求的预紧力，目前普遍采用扭矩法和转角法进行控制。转角法能够很好控制螺栓的预紧力，可靠性要优于扭矩法。文本阐述了塑性区紧固的依据和实现方法。多次实验后表明，四气门发动机缸盖螺栓采用转角法。关键词：螺纹连接；预紧力；扭矩法；转角法；塑性紧固中图分类号：Ｕ４６４文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－５８２Ｘ（２０１２）０５－００７０

2、－０６一、四气门发动机简介四气门发动机是原二气门发动机的技术升级。最大的改进是将原三缸６气门发动机改进为三缸１２气门。在成本提高不大的前提下，提高了整车的动力性，经济性，达到了欧Ⅲ排放标准。两款发动机主要参数对比如表１：表１四气门与原二气门发动机主要参数对比气门形式四气门二气门气缸数与排列３缸直列３缸直列气门数４／ｃｙ２／ｃｙ缸径（ｍｍ）×冲程（ｍｍ）７６×７３７６×７３排量（ｍｌ）９９３９９３压缩比１０９．５最大扭矩［Ｎ·ｍ／（ｒ／ｍｉｎ）］≥８９／３６００≥７７／３６００最大功率［ｋＷ／（ｒ／ｍｉｎ）］≥４８／６０００≥３９／６０００最低燃油消耗率（ｇ／ｋＷ·ｈ）≤２７０≤２９

3、０活塞平均速度（ｍ／ｓ）１４．６１４．６气缸压缩压力（ｋＰａ／３５０ｒ／ｍｉｎ）１３５０１２２５二、螺栓拧紧方法简介螺纹副连接是汽车、内燃机、压缩机等众多机械行业装配作业所广泛采用的一种方法，为确保装配的质量，必须对螺纹副的拧紧状态进行控制。现今用于控制螺纹拧紧的方法主要有扭矩法和转角法。装配拧紧的实质是通过螺栓的轴向预紧力将两个工件（如缸盖与缸体）可靠地连接在一起，因此，对轴向预紧力的准确控制是保证装配质量的基础。收稿日期：２０１２－０１－０６作者简介：段秋霞（１９６４－），女，天津市人，天津城市建设管理职业技术学院实验师，主要从事实验技术研究及实验教学工作及汽车维修工程。·７０

4、·（一）扭矩法简介：扭矩法因简单易行，长期来一直是螺纹副装配中最常用的方法。扭矩法是利用扭矩值与预紧力的线型关系进行控制的方法。紧固扭矩与预紧力的关系：Ｔｆ＝Ｔｓ＋Ｔｗ＝ｋ·Ｆｆ·ｄ，其中：Ｔｆ：紧固扭矩；Ｔｓ：螺纹扭矩；Ｔｗ：支撑面扭矩；ｋ：扭矩系数；Ｆｆ：预紧力；ｄ：螺纹公称直径原二气门发动机缸盖螺栓也是采用了这种方法拧紧，８个螺栓拧紧到６０Ｎ·Ｍ。该方法在拧紧时，只对紧固扭矩Ｔｆ进行控制，操作方便。但是，由于紧固扭矩的９０％左右被螺纹和支撑面摩擦扭矩所消耗，预紧力的离散度随着拧紧时摩擦损耗等因素的控制程度而变化，因而离散度较大（如图１阴影部分所示）。这里我们定义Ｑ为紧固系数，

5、Ｑ＝Ｆｆｍａｘ／Ｆｆｍｉｎ以表证预紧力的图１扭矩法中紧固扭矩与预紧力的关系离散度表２不同螺纹拧紧方法的紧固系数方法指标区域紧固系数Ｑ（参考）扭矩法力矩值弹性区１．４～３弹性区１．５～３转角法回转角度塑性区１．２通过表２的总结，我们不难发现：当采用转角法进行螺纹拧紧并保证在塑性区紧固的情况下，紧固系数基本在１．２左右，变动区间较小，由此预紧力的离散度会大大减小。因此，近来，重要场合下螺栓连接所采用的拧紧工艺基本由转角法所取代，大大提高了产品的装配质量。以轿车发动机为例，在现代汽车厂的发动机装配线上，关键螺栓连接，如主轴承盖、缸盖、机油滤清器支架、曲轴轴头等的拧紧工艺都为转角法，一些分

6、装线上的重要螺栓连接，象连杆，采用的也是这种方法。（二）转角法简介：转角法是将螺栓与螺母的相对回转角度（紧固转角θｆ）作为指标进行初始预紧力的控制方法，可在弹性区和塑性区使用（如图２、３所示）。紧固转角与预紧力的关系为：θｆ（°）＝３６０Ｆｆ／ｐ（１／ｋｂ＋１／ｋｃ）ｋｂ：螺栓拉伸弹性模量；ｋｃ：被连接件压缩弹性模量；ｐ：螺距；Ｆｆ：预紧力图２转角法中紧固转角与预紧力的关系·７１·图３转角法中紧固转角与预紧力，预紧扭矩的关系转角法的实质是控制螺栓的伸长量，在螺栓贴合以后的整个拧紧范围，伸长量始终与转角成正比。在弹性范围内，轴向预紧力与伸长量成正比，控制伸长量就是控制轴向力，螺栓开始

7、塑性变形后，虽然两者已不再成正比关系，但杆件受拉伸时的力学性能表明，只有保持在一定范围以内，轴向预紧力就能稳定在屈服载荷附近。事实上，转角法主要通过将螺栓拉长在超弹性极限，达到屈服点，以实现既充分利用材料强度，又完成了高精度拧紧控制的目的。典型的转角法确定步骤：确定螺栓弹性杆长度≈Ｌｍｍ，弹性杆直径应≤螺纹公称应力截面积的等效直径ｄＡ，螺栓非比例伸长应力σ０．２，即永久伸长量０．２％Ｌ。它是确认转角法拧紧区域的重要参数。当所有数据都齐全时，可通过计算得出预紧扭矩和转角