螺栓擰緊機(jī)在汽車發(fā)動機(jī)制造中的應(yīng)用研究

劉引連

摘要：本文主要分析和探究的是目前國內(nèi)外擰緊機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和一些主要的技術(shù)指標(biāo)、以及一些常用擰緊方法的精度及其對控制參數(shù)的要求、各擰緊方法在發(fā)動機(jī)主要零部件裝配中的應(yīng)用。通過這些相關(guān)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的分析，最終將現(xiàn)行的扭矩控制法梓緊工藝改進(jìn)為扭矩一一轉(zhuǎn)角控制法工藝，通過這種轉(zhuǎn)變來提升擰緊質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：螺栓擰緊機(jī)；汽車發(fā)動機(jī)制造

1.引言

運用螺栓連接起來的零部件，所要達(dá)到的最佳效果是讓零部件的組合形成一個相對的整體，在運轉(zhuǎn)過程中能夠達(dá)到像整體零件運行的狀態(tài)。達(dá)到這種狀態(tài)就必須讓零部件能夠像一個整體一樣，不僅要讓零部件在應(yīng)用的過程中不會出現(xiàn)分離和松動的現(xiàn)象，更要讓即連接起來的零部件能夠更好的抵抗運行中最大外力的作用。

2.采用擰緊機(jī)擰緊的必要性

要達(dá)到這種狀態(tài)對于螺栓的擰緊，就要加強裝配時螺栓（或螺母）擰到最緊的程度，讓零部件能夠更好的契合，緊密。但是令我們難以闡述清楚的是這個“最緊”是到底代表的是什么程度。不同的工人對于這個會有不同的理解，因此會造成一定程度上的差異。在目前的應(yīng)用情況下，一臺發(fā)動機(jī)就包含著幾十個零件、幾百個采用螺栓緊固的裝配點，這些都是要通過大量的工人和大量不同的應(yīng)用工具，在不同的時間階段相互配合所能形成的整體，所以按這種分析方法而言最緊這個概念是相當(dāng)模糊的，這也造成了相當(dāng)大的離散度，更何況如今的大生產(chǎn)產(chǎn)量較大影響更為嚴(yán)重。所以按照以上的說法，如果是利用傳統(tǒng)的擰緊工具來組合零部件，要讓這些零部件達(dá)到在運行中不產(chǎn)生任何的分離與松動是極為困難的。在擰緊零部件工具的過程主要是通過普通扳手、氣扳機(jī)、定扭矩扳手、定扭矩氣扳機(jī)、普通扳手或氣扳機(jī)定扭矩扳手來進(jìn)行操作，這種操作方法就是要先采用普通扳手或氣扳機(jī)預(yù)緊后，第二步利用具有扭矩預(yù)置示值功能的定扭矩扳手到目標(biāo)扭矩值）。附加第二步的作用是在經(jīng)過初步擰緊后保證擰緊時的目標(biāo)扭矩值，但是即便如此，在零部件的擰緊過程中還是會有難其它因素扭矩扳手的精度除外）的影響，比如：操作者用力的大小與速度、視覺誤差（指針式）、多個螺栓之間相互影響，等多個難以一一控制的因素。因此，如今擰緊機(jī)尤其是電動擰緊機(jī)的出現(xiàn)讓以上的問題迎刃而解，讓零部件達(dá)到最好的運行狀態(tài)。

3.當(dāng)前國內(nèi)外擰緊機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)指標(biāo)

當(dāng)前主流配置結(jié)構(gòu)的擰緊機(jī)主要有以下幾點：在配置結(jié)構(gòu)與功能方面，當(dāng)下最先進(jìn)的擰緊機(jī)具有機(jī)構(gòu)與功能相同的優(yōu)點。在控制方法方面，最先進(jìn)的擰緊機(jī)與之前傳統(tǒng)的擰緊機(jī)相比，能夠同時擁有多種控制方法，例如：扭矩控制法、扭矩一轉(zhuǎn)角控制法與屈服區(qū)域控制法等。在精確控制方面，傳統(tǒng)標(biāo)稱的均勻尺度是：扭矩：蕊士3%：轉(zhuǎn)角：續(xù)士20。經(jīng)過不斷的加工、深化后，先進(jìn)的擰緊機(jī)雖然與傳統(tǒng)的擰緊機(jī)的基本功能相同：都是一種擰緊螺栓的工具。但是先進(jìn)的擰緊機(jī)的精確度卻是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)擰緊機(jī)。其工作原理是：通過調(diào)整、控制擰緊機(jī)的各類參數(shù)（如：控制參數(shù)、工藝參數(shù)等），以及利用多軸組合，可同時對多個螺栓（母）展開擰緊工作。由此，最大化地提高了擰緊螺栓（母）的工作效率。

4.常用擰緊控制方法對擰緊結(jié)果精度的影響

總所周知，擰緊機(jī)的精度與擰緊結(jié)果的精度息息相關(guān)，密不可分，同時也與擰緊軸的精度相關(guān)。但是，為了最大化提高擰緊機(jī)的精確度，我們做了無數(shù)次的實驗，實驗結(jié)果表明：擰緊機(jī)的精度同時與擰緊結(jié)果、擰緊軸的精度以及擰緊控制方法相關(guān)。這也意味著在現(xiàn)實工作中，不同的擰緊控制方法不同，其擰緊結(jié)果也截然不同，結(jié)果也會出現(xiàn)一定的誤差。所以，其主要原因在于：當(dāng)擰緊機(jī)工作時，擰緊結(jié)果與夾緊力成正比例關(guān)系，這也意味著當(dāng)夾緊力越大時，擰緊結(jié)果更佳。而擰緊控制方法又是決定夾緊力的重要因素之一。綜上所述，使用擰緊機(jī)的用戶在選擇擰緊機(jī)時，不僅僅要注意選擇當(dāng)下先進(jìn)的配置結(jié)構(gòu)以及靠譜、有實力的供應(yīng)商之外，還要考慮擰緊機(jī)所使用的擰緊控制方法。因為只有這樣才能將擰緊機(jī)的功能發(fā)揮到最大化，還能同時提高擰緊機(jī)的工作效率與精確度，減少不必要的浪費。根據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在目前的市場環(huán)境中，最普遍使用的擰緊控制方法是以下兩種：第一，扭矩控制法；第二，扭矩一轉(zhuǎn)角控制法。以下，我將進(jìn)行全面、系統(tǒng)地分析介紹各個控制方法的精確度與裝配質(zhì)量。

4.1扭矩控制法

扭矩控制法，顧名思義，這是一種通過控制扭矩來控制夾緊力的。其工作原理是：設(shè)立扭矩的的數(shù)值，當(dāng)扭矩在工作過程中的夾緊力到達(dá)一定數(shù)值時，機(jī)器會自動停止擰緊的過程。主要優(yōu)點在于：相比其他控制方法，扭矩控制方法具有操作簡便，使用歷史悠久的優(yōu)點。

4.2預(yù)緊力精度

影響扭矩系數(shù)K的因素范圍較為廣泛，包括：連接體的彈性系數(shù)、表面加工方法以及熱處理的測量方法以及周圍的環(huán)境溫度等。以上因素都會直接間接地影響到K的數(shù)值。從以上實驗證明，一般情況下，K的數(shù)值都會在0.2-0.4之間上下浮動，有時也會在0.1-0.5之間。德國工程師協(xié)會（VDI）曾做過一份有關(guān)擰緊的實驗報告。其中，證實了若采取的不同材料與加工方式使得擰緊扭矩的T的誤差為O時，夾緊力的誤差最大，此時可達(dá)到27.2%。

4.3對控制參數(shù)的要求

對于扭矩控制法來說，其最終的目的為擰緊目標(biāo)扭矩。所以，對于控制的參數(shù)必須有嚴(yán)格的控制與掌握。以下是控制參數(shù)的幾點要求：第一，必須保證目標(biāo)扭矩的數(shù)值足夠大。由此，被連接的工件才能足夠結(jié)實，避免出現(xiàn)因工件松動而產(chǎn)生的不必要的損失。第二，目標(biāo)扭矩的數(shù)值不能過大，必須掌握在一個合適的數(shù)值范圍之內(nèi)。避免出現(xiàn)因為力量過大而導(dǎo)致螺栓遭到破壞的現(xiàn)象。嚴(yán)格按照擰緊結(jié)果所要求的夾緊力與K之間的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定扭矩的數(shù)值。綜上所述，在現(xiàn)實的工作當(dāng)中，為了既保證螺栓的擰緊結(jié)果又避免出現(xiàn)螺栓遭到破壞的現(xiàn)象出現(xiàn)。對于扭矩的最大數(shù)值設(shè)立為：當(dāng)最大摩擦系數(shù)拜ml出現(xiàn)時，在保證夾緊力的結(jié)果的同時，確保F的數(shù)值最小化。其上限則為：當(dāng)最小摩擦系數(shù)拜ml出現(xiàn)時，在保證夾緊力結(jié)果的同時，確保Fma的數(shù)值最大化。（如圖1所示），展示了扭矩上下限的要求。

4.4扭矩一轉(zhuǎn)角控制法

從扭矩控制法延伸出來的另一種控制法是扭矩一轉(zhuǎn)角控制法，此方法是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化、加工后擁有一定的轉(zhuǎn)角，其工作原理為，當(dāng)螺栓產(chǎn)生一定的軸向伸長并且擁有一定的軸向預(yù)緊力的關(guān)系時。想要運用這種方法，首先必須將螺栓設(shè)定到一個固定起始扭矩sT，從這個點開始，對擰緊進(jìn)行規(guī)定的轉(zhuǎn)角A。在運用此方法擰緊時，為了能夠使螺母和螺栓能夠有更加緊密的接觸面，設(shè)置起始扭矩是不可缺少的。而預(yù)緊力對于螺栓來說是通過后面的轉(zhuǎn)角進(jìn)行獲取的。綜上所述，此方法是通過控制轉(zhuǎn)角來間接性的控制夾緊的力度。

預(yù)緊力精度。從圖2中可見，摩擦阻力（圖中以摩擦系數(shù)表示的）的不同，僅影響測量轉(zhuǎn)角的起點，并將其影響延續(xù)到最后。而在計算轉(zhuǎn)角之后，摩擦阻力對其的影響已不復(fù)存在，故其對螺栓軸向預(yù)緊力（即夾緊力）影響不大。因此，其擰緊結(jié)果的精度比單純的擰矩法高。

對控制參數(shù)的要求。與傳統(tǒng)扭矩控制法不同的是，扭矩一轉(zhuǎn)角控制法的主要控制參數(shù)的設(shè)立在于擰緊扭矩的同時保證轉(zhuǎn)角二項的數(shù)值。其主要的要求如下：在確保扭矩數(shù)值在上下限之間，又要保證轉(zhuǎn)角的數(shù)值在上下限之間（如A0與A1）。如圖3所示，所有數(shù)值必須在平面區(qū)間5（又叫綠窗線如曲線2所示）內(nèi)才為合格。若在其他區(qū)間內(nèi)均視為不合格。綜上所述，不難看出，扭矩一轉(zhuǎn)角控制法具有精確度較高、裝配質(zhì)量好的優(yōu)點。

5.結(jié)語

在當(dāng)前的市場背景下，我國的汽車產(chǎn)業(yè)正處在發(fā)展階段，在技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新的同時也要對基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。我國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是一個循序漸進(jìn)的過程，應(yīng)當(dāng)從實際出發(fā)提升產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)實力，為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下基礎(chǔ)。