发动机零件拧紧效果检测及问题分析

　　【编者按】本文主要是介绍了当前对于拧紧机拧紧后的拧紧效果检测所广泛使用的方法，并以发动机零部件的拧紧机为实际案例分析了复紧法检测所遇到的实际问题。

　　汽车是由多种零部件组装起来的，螺栓连接是其中最常用的一种。由于采用人工螺栓拧紧，其拧紧的程度会因人与工具的不同而异，难以确保装配的质量。而拧紧机完全可以控制拧紧的程度，确保装配的质量，故在汽车制造过程中的应用日益广泛，尤其在轿车发动机制造中的重要零部件的装配达到了普遍的应用。

　　当前，国内外各正规厂家生产的拧紧机，无论是精度还是稳定性都比较高，故螺栓拧紧完成后，拧紧机上显示的转矩值基本上是可以信任的，但再好的设备或仪器也不可能不出问题。因此，为了确保产品的质量，非常有必要对拧紧效果进行检测。

　　本文主要是介绍了当前对于拧紧机拧紧后的拧紧效果检测所广泛使用的方法，并以发动机零部件的拧紧机为实际案例分析了复紧法检测所遇到的实际问题。

　　拧紧效果的检测

　　1.拧紧效果常用的检测方法

　　当前国内外的拧紧机，较为广泛使用的控制方法主要是转矩控制法与转矩—转角控制法。但不论采用哪种控制法的拧紧机，对于其拧紧效果的检测，通常只是对其拧紧后的转矩进行检测，而其所采用的方法也均是复紧法与传感器串入法。其中，复紧法是对拧紧后螺栓（或螺母）采用高精度转矩扳手，沿螺栓的拧紧方向再施加一个逐渐增大的转矩，直至螺栓再一次产生拧紧运动为止，并读出此时的瞬时值，作为拧紧后的最终转矩值。而传感器串入法则是在拧紧轴的输出轴与套筒之间串入高精度的转矩传感器，当拧紧结束后，在与该转矩传感器相连接的仪表上即可读出拧紧的最终转矩值。

　　2.复紧法的转矩误差与应用

　　复紧法实际上是一种静态检测方法，操作使用比较简便，且经济实用，易于实施（有高精度的转矩扳手即可），因而得到生产和质检部门在日常检测中的普遍应用。但此种方法在使用中，由于操作人员掌握程度、用力大小和感觉的偏差等，均会造成不同程度的偏差，而且在旋动螺栓的瞬间所产生的摩擦阻力不同于拧紧过程中的摩擦阻力（前者为静摩擦，后者为动摩擦），所以误差较大。

　　采用复紧法检测，对于通常的紧固件（非软性连接件），其转矩偏差为实际转矩的－5%～25%，而且该方法适用于拧紧后不超过30min的螺栓转矩的检测。若是软性连接件，通常其转矩偏差则为实际转矩的－20%～－5%。鉴于此，采用复紧法所得到的转矩值只能作为日常检测的参考，而绝不能作为最终实际转矩的检测值。

　　3.传感器串入法的转矩误差与应用

　　传感器串入法实际上是一种动态检测方法，由于检测时需要在拧紧轴与套筒间串入高精度的转矩传感器，且还需要配置一个与该传感器相匹配的高精度的转矩仪，较复紧法其操作使用比较麻烦，且经济性较差。但此种方法是在拧紧过程中串联在拧紧轴中进行检测的，故其误差很小（通常只计传感器与仪表的误差），其检测值完全可以作为最终实际转矩的检测值。传感器串入法通常用于对拧紧轴拧紧转矩的校准与鉴定。

　　拧紧工作中出现的问题分析

　　把笔者在日常工作中所遇到的拧紧机在运行中出现的一些问题（拧紧机工作正常、显示准确，检验所用的扳手准确为前提）汇集在一起，大体上分为以下几类，并予以分析。

　　1.人工检测的转矩值与机器显示值不符

　　（1）人工检测的转矩值大于机器显示值 当前较为广泛使用的人工检测转矩的方法基本上均为复紧法。其检测的转矩值可能是机器显示值的25%，尤其在采用指针式扳手时，除了扳手本身的固有误差外，可能还会混有零点定位误差、操作人员的视觉误差等，都会增大误差值。

　　（2）人工检测的转矩值小于机器显示值 采用复紧法检测，其误差也有－5%的可能性。但对于硬性连接件，在拧紧后即行检测，其转矩值的负值误差的机率极少。而若是软性连接，误差还可能达到－20%。

　　根据笔者的实际经验，出现人工检测的转矩值小于机器显示值有以下两种情况：一种是拧紧后时间较长（超过30min），尤其是上午拧完下午检测的情况。实践证明，这种情况的检测误差，非软性连接有可能达到－10%左右，软性连接还有可能高达近－30%。另一种是工件本身有问题。如笔者在对缸盖瓦盖拧紧机进行验收时，拧紧轴拧紧后立即人工检测，其转矩值较拧紧机显示值低较多，经过多次试验及检查，是瓦盖凸肩略小所导致的。

　　2.拧紧转矩达上限值，而转角未达到设定的目标值

　　这种情况主要针对于采用转矩—转角控制法的拧紧机，是由以下几个方面造成的：

　　（1）工件 工件的螺纹不好或螺孔内有异物，使螺纹接触面摩擦阻力增大所致。

　　（2）垫片 尤其是带有弹簧垫片或带定位点的平垫片对其影响较大，拧紧靠座后，弹簧垫片（或带定位点的平垫片）可能会随螺栓旋转所产生的摩擦阻力增大所致。

　　（3）螺栓 螺纹不好，还有一点就是螺栓未按规定处理（如蘸油），或把本来涂的油给清洗掉了，也会出现此现象。

　　（4）其他原因 进行了两次以上的拧紧也会导致此现象。

　　3.拧紧转矩低于下限值，而转角已达到设定的目标值

　　拧紧转矩低于下限值，而转角已达到设定的目标值，其主要原因是螺栓的屈服强度较低。当然，工件的螺孔攻大或螺栓螺纹直径偏小也会出现这种情况，但在实际生产中，这种情况出现的机率极小。

　　4.其他应当商讨的问题

　　（1）通常所认为的“拧紧转矩值偏小”是否真正偏小 笔者原来所在单位有一台缸体主轴承瓦盖拧紧机，刚从美国引进时的工艺规定为：拧至41N·m再转90°，其最终转矩上限不超过140N·m,下限不低于78N·m。单位对其工艺更改为：拧至41N·m再转90°，其最终转矩的上限不超过130N·m，下限不低于90N·m。而有一段时间内，工艺部门又把转矩的下限值修定为不低于100N·m和105N·m。在此后的期间内，时而出现转矩值偏小情况，即最终转矩达不到100N·m和105N·m。显然，这是工艺不合理所致，而不是转矩值真正偏小。对此，要特别强调以下几个问题。

　　首先，拧紧实际上是要使被连接体间具备有足够的压紧力，反映到被拧紧的螺栓上就是它的轴向预紧力。而不论是两被连接体间的压紧力，还是螺栓上的轴向预紧力，在工作现场均很难检测，也就很难予以直接控制。因而，采取上述所提到的转矩控制法和转矩—转角控制法予以间接控制。

　　其次，拧紧的转矩虽然与压紧力成正比，但其比例系数会随摩擦系数的不同而变化，离散度较大。即转矩的大小并不能准确地反映出压紧力的大小，由于摩擦系数的影响，以至同一状况的连接体，其转矩相差很大，而压紧力却可能相差不大；而不同状况的连接体，可能转矩较大的一方，压紧力反而较小。如果螺栓和被连接体螺纹的螺距精度可以保证，拧紧的转角精度就可以保证压紧力的精度。因此，作为转矩—转角控制法，只要确保起始转矩和控制转角精度就可以了，转矩则主要作为监控的一个参考值。

　　另外，转矩上下限的范围不宜太小，否则，本来没有问题的拧紧也被当做有问题的看待了（如前面提到的缸体主轴承瓦盖拧紧机）。所以，在转矩—转角控制法中，过于看重或提高下限转矩的实际意义不大。对于日常所认为的“转矩值偏小”问题，希望大家广泛讨论，深入探讨，踊跃提出宝贵意见。

　　（2）不同型号的同种工件，转矩的拧紧机显示值相同，人工检测值却相差较大 对于不同型号的同种工件，在同一台拧紧机上拧紧，拧紧机上显示的转矩相同，而人工检测却相差较大。这也是笔者工作过程中遇到的问题，突出表现在发动机上罩盖的拧紧机上。发动机上罩盖材料分为两种，一种为铸造铝合金，另一种为钢板。其拧紧机共九个拧紧轴，在混流生产过程中，先装配50台铝合金上罩盖，其中两个拧紧轴（标记为4#、5#）显示的转矩为12N·m，而人工检测值为14～16N·m，其他七个拧紧轴的转矩均与人工检测值基本相符。经过转矩校准仪校准发现，九个拧紧轴的转矩均相符，即拧紧机没有问题。而当这50台发动机装配完成后，恢复使用原来的钢板上罩盖，4#、5#拧紧轴的转矩显示值又与人工检测值基本相符了。

　　经检查，4#、5#拧紧轴所拧的螺栓及其在铝合金罩盖上的摩擦痕迹如图1所示，其他螺栓及其在铝合金罩盖上的摩擦痕迹均如图2所示。

图 1                                         图 2

　　1.罩盖上的摩擦痕迹 2. 螺栓杆 3. 平垫片 4. 螺栓头

　　对比图1与图2可见，4#、5#轴拧紧的摩擦痕迹是面，而其他轴是点。拧紧过程产生动摩擦，4#、5#轴的摩擦阻力与其他轴相比差值不大，而人工检测时为静摩擦，其摩擦阻力比其他轴大的较多，转矩之差就显现出来了。然而，用钢板罩盖时4#、5#轴的转矩为什么相差不大呢？其原因是钢板罩盖表面有一层漆，光滑的漆表面使其静摩擦阻力与其他轴也相差不大了。

　　从上述分析来看，在拧铝合金罩盖时，4#、5#轴在人工检测时，转矩虽然偏大，但并不是拧紧机的问题，也不应当按人工检测的结果来认定拧紧最终的转矩值。

（冯德富）

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