发动机螺栓的紧固管理

螺栓紧固作为最重要的机械连接方法之一，在发动机组装领域被广泛采用，几乎所有配合件的组装都运用到螺栓紧固。螺栓紧固水平的优劣，对发动机的功性能、耐久、NV H水平以及量产一致性水平保证都具有非常重要的影响。本文介绍几种不同需求螺栓紧固方法，并对紧固控制差异进行论述，对发动机精密制造工作具有一定的指导意义。

1 概况

1.1 螺栓紧固“轴力”介绍

对螺栓施加周向力矩时，螺栓在紧固物体时工件受到的轴向加紧力叫轴力。轴力直接体现了被紧固件的结合品质，是螺栓紧固质量判断的直接依据。但由于轴力的测量及评价方法比较复杂、成本较高，不能对螺栓进行直接的轴力管理，只能通过其它间接的设计、工艺、品质等方法保证。

1.2 发动机轴力的重要性

螺栓轴力关系到一台发动机的单品结合及整机动态表现品质，不仅对局部结构强度、疲劳耐久、辅件防松、缸体密封、震动模态等直接关联，还对主轴颈、连杆颈等运动副配合间隙起到间接控制的作用。

2 螺栓紧固变量分析

2.1 螺栓摩擦系数分配

螺栓紧固过程中，紧固力矩的分配主要分为三部分（图1）：

一部分克服螺帽与支承面间摩擦扭矩（50%），

一部分克服内外螺纹配合面之间摩擦扭矩（40%），

剩余部分克服螺纹升程时的切向力矩（10%），即只有10%左右的扭矩是作为有效扭矩被利用到。

因为螺栓个体润滑、杂质、磕碰，以及配合内螺纹的公差极限配合，各位置摩擦系数的分配常处于不可控状态，只能采用一定的品质管理手法缩小偏差范围。因此，最终体现在轴力上的有效扭矩比例是以10%为中值的公差带。

图 1

2.2 螺栓弹性系数差异

根据螺栓强度等级以及紧固设计目的的不同，螺栓具有不同的强度度系数，以及使用目标弹性区域或者塑性区域。不同的强度系数和、不同的目标区域具有不同的紧固变化特性（图2）。在不同的特性区域，扭矩与紧固结果不成正比例关系，只有在特定的目标区域，如屈服点之前，我们才可以把扭矩与轴力看做线性关系。

图 2

紧固过程中螺栓除了轴力、摩擦系数和拉伸特性区域的变动外，扭矩、转角也是跟随着紧固程度的变化量，并且可以被简单实时地测量控制。因此可以通过这些间接变量的控制达到轴力控制的目的。

3 紧固控制方法介绍

3.1 扭矩控制法

紧固扭矩法是指紧固扭矩达到设定的控制扭矩时，立即停止的控制方法。由于管控快速、简单、经济，是一种最常见、最简单的轴力控制法。适用于紧固要求不高，轴力不大，对防松有一定要求和有一定一致性管理要求的紧固。

发动机上70%的螺栓紧固依然采用这种管理。该方法利用的是螺栓在一定的拉伸特性区域，扭矩与轴力会呈现一定的线性关系。对同一螺栓拧紧过程，只需要各结合部位摩擦系数固定，扭力系数k 值就会一定，轴力F 会与扭矩T 会呈固定比例F=kT 的确定关系（图3），并且具有一定的再现性。只需要做好摩擦系数质量控制，轴力在一定程度上得到控制。

图 3 弹性螺栓与塑性螺栓轴力偏差图

根据紧固轴力的需要可选择合适的弹性螺栓或者塑性螺栓，一般情况弹性螺栓较塑性螺栓轴力偏差大。但由于该控制方法控制精度低，轴力偏差范围±25%，不适合重要部位的管理。

3.2 扭矩-转角控制法

先对螺栓进行小力矩预拧，再拧一个规定角度的控制方法。该方法利用了扭矩控制与角度控制各自的优势（如图4）：小力矩预拧能够保证螺栓能够完全落座，并且较小的轴力初始差距；角度控制能够保证螺栓具有固定的形变拉伸量，相较于同一种螺栓，拉伸量一定，螺栓轴力具有比较高的一致性，从而保证了轴力变化的一致性。相较于传统扭矩法，该方法能够将精度控制在±15%内，轴力控制改善效果较好，并且管理控制成本在可接受范围之内。