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形， 危险性加大， 或者使被联接件受损。螺栓在燃烧 室负荷大的情况下有被拉断的可能， 不能很好地克 服产品热胀冷缩带来的热应力增大和联接松动的 后果， 从而带来产品的失效。
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弹性极限拧紧法的特点及设备
弹性极限拧紧法的特点 我们知道， 轿车发动机应用环境的最低温度可
而它的最高工作温度要达到 能 会 在 "#$ %& 左 右 ， 还要承受爆振、 交变载荷作用。 对于 ’ $$$ %& 以上， 燃烧室紧固件来说， 因为要直接承受这些负荷的考 验， 所以缸盖螺栓采用了高强度螺栓， 性能等级为 再加上采用了弹性极限法拧紧技术， 因此 ’$() 级 ， 它带来的 ! 大优点如下。 "# 由于缸盖螺栓拧紧状态处于弹性极限点附 近， 它能够有效地克服由热应力变化引起的燃烧室 和螺栓的应变，即温度高时螺栓可以进一步地伸 长， 但伸长量不会超过强度极限 #% 的对应点； 温度 低时， 螺栓可以恢复到接近原始状态。因此， 可以通 过螺栓从屈服极限到抗拉强度极限所吸收的能量， 来抵消由于工作温度升高螺栓所受到的热应力， 同 时防止了发动机在巨大温差下带来的燃烧室结合 面可能发生的松动现象。 为了确保这一措施的有效性， 富康轿车规定缸 盖螺栓和气缸垫都是一次性使用， 在拆下后必须进 行更换。 即 $# 更好地保证了燃烧室联接拧紧的均匀性， 可及时剔除有缺陷的联接螺栓， 避免因材料或加工 缺陷造成的螺栓承受能力下降的情况。
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缸盖螺栓拧紧机拧紧实例
缸盖螺栓拧紧机带有一套故障诊断检测系统，
它给出了设备可能出现的 7" 种信息， 其中包括可能 出现的设备或产品的故障。下面举一个典型的实例 加以说明。 发动机装配现场曾经出现一批缸盖螺栓拧紧力 矩超差的发动机， 反应在设备上， 显示的是 % 大。 通 常情况下， 为了保证螺栓联接的拉紧力（ 通过弹性变 形量控制） ， 除了正常合格拧紧外， 还可能出现三种 不合格的情况。一种情况是螺栓拧紧力矩已达到上 限值 %-&3， 但仍没有达到所需要的拉紧力； 另外一种 情况是旋转角度达到 ! 最大值； 第三种情况是比值 突然减小（ ・ （ 螺栓的伸 ’（ !"% $ "!） !)*+’ 参 , - $ .） 长量可能达到了弹性极限控制要求） 。根据判断， 上 述这种故障可能是由于摇臂支座上表面 （ 与缸盖螺 栓结合面） 的粗糙度所引起的。从宏观上看， 此批摇 臂支座的结合面加工的粗糙度比以往的要小。根据 理论研究， 联接件或被联接件的螺纹加工精度、 润滑 条件和相关表面的粗糙度大小都直接影响到螺栓夹 紧力或者体现在拧紧力矩上。在零件加工质量和润 滑条件不变的情况下，我们讨论相关零件表面粗糙 度的大小对联接拧紧的影响。因为螺栓的表面质量 是稳定的， 那么与螺栓表面相接触的表面， 摇臂支座 上表面的粗糙度就成为了问题的关键。表 " 分析了
汽车工艺与材料
图"
在实际操作中， 缸盖螺栓拧紧程序设置了预拧 紧力矩（ 相当于计算角度的起点） 、 最小力矩、 停止 力矩、 最大力矩、 最小角度、 停止角、 最大角、 最小比 值、 停止比值和最大比值。从图 ! 中可以看出比值 （ 即是曲线在该点的斜率。表 ( 列 ’!"% $ "!!%&’%） 出了弹性极限拧紧法可能出现的各种组合状态。
表# 力矩
合格 小 大 合格 小 大 合格 小 大 角度 合格 合格 合格 小 小 小 大 大 大
拧紧参数的各种组合状态
比值 ’ 合格 小 大 大 合格 大 小 小 合格 可能的状态 合格 拉紧力偏小 摩擦力大， ( 未达到规定 ()
( 可能小 (小 (小 ( 大或合格 ( 小或合格 ( 大或合格
从图 " 中可以看出， 严格按照弹性极限法拧紧，
汽车工艺与材料
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弹 性 极 限 拧 紧 技 术 及 其 应 用
王艳忠
（ 神龙汽车有限公司 技术采购部， 湖北
襄樊 ##%""# ）
摘要： 介绍了神龙富康轿车发动机缸盖螺栓拧紧力的工作原理和应用实例。 采用弹性极限拧紧法， 既推动 了拧紧技术向高准确度、 高精度的拧紧方向发展， 又促进了产品材料更经济、 更合理地 使 用 ， 同时零件机 械加工的工艺水平相应地提高， 从而带来整机、 整车整体性能的提高， 实现其较好的经济使用性。 关键词： 螺栓； 弹性极限拧紧法； 应用 中图分类号： !"#"$%&’$() 文献标识码： *
拧紧， 气动扳手、 电动扳手拧紧。
$# 预紧力矩加最终力矩及角度限制拧紧。
如缸盖螺栓的拧紧。 %# 弹性极限法拧紧， &# 屈服补偿拧紧法。 其中前两种拧紧方式比较常见， 但后两种方式 是不太常见的拧紧方式。
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弹性极限理论基础
根据材料力学弹性理论，杆的应力 $ 应变曲线
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弹性极限拧紧法参数设置及应用分析
注： 从数据统计 ’( " 大等于或略大于 "*+,； -( "! 终表示螺栓拧紧终止前的变化量； !( ! 小时， !.!*+, 的情况， 故未列在表中； 看不多见， 因此 " 小， $ 小的可能性也就不大， #( 哪一个监控参数 "、 !、 # 先超出规定范围， 拧紧机都将停止工作。
从表 ! 中可以看出， 当接触面的粗糙度过低或 过高时都将使得接触摩擦力增加， 而按弹性极限拧 紧法设计的拧紧设备，为了满足螺栓达到弹性极 限， 它必 须 克 服 这 种 接 触 摩 擦 力 ， 从而使得拧紧力 矩提高， 甚至要超出上限值， 当受到 "!"$%& 即停机 的限制时， 第一种情况 ! 大， 一般是 " 先达到 "$%& 值， 另一种特殊状态是 ! 小于 !$’( 下限值可 # 增大； 能性极小， 停止拧紧， 这时联接件的夹紧力 $ 偏小， 有可能不能够满足工作负荷的需要； 第三种情况是 根据试验得知， 旋转扭矩 " ! 小时， ! 偏大， " 增大。 先达到 "$%& 时， 由于摩擦力的作用， 再增大 " 则 ! 上升较快， 而 " 上升缓慢， 所以 # 将减小。 这样当拧 紧停止时， 夹紧力 $ 偏 大 ， 螺栓的弹性变形也会略 大。前者不能很好地发挥螺栓材料的力学性能， 后 者可能导致零件的安全系数有所降低。 通过上述分析， 进一步说明按弹性极限法实施 的拧紧联 接 ， 在理论上和实际操作中， 能较理想地 保证燃烧室及缸盖螺栓的正常工作， 甚至在缸盖螺 栓和其他相关零件及其装配条件 （ 如润滑介质、 相 关批次零件材料、 加工精度、 粗糙度） 略有变化时， 都能较好地保证缸盖螺栓及燃烧室工作的可靠性， 从而避免了采用非弹性极限拧紧法控制的螺栓联 接的 ! 大缺陷。 零件尺寸大， 浪费材 "# 螺栓的安全系数较大， 料， 同时使得缸体、 缸盖、 摇臂支座的螺纹孔加大， 导致发动机体积增大， 经济性差。 发动机工作危险性大， 气 $# 夹紧力 $ 太小时， 缸垫可能被冲破。 联接螺栓可能出现塑性变 %# 夹紧力 $ 过大时，
品，因此这种拧紧技术被应用到了发动机装配线 上。该设备不仅具有良好的性能， 而且装配效率高， 使得发动机装配成本降低，但制造成本比较高， 而 且需要经常地维护和保养。
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两大功能
&" 对 $" 个螺栓按弹性极限法拧紧。 ’" 检查凸轮轴旋转力矩。
另外， 它还有一个故障返修区， 当发动机出现 故障或由于设备原因导致发动机未完成装配任务 时， 它都将被自动或人为地送入到返修区。
由虎克定律可知，螺栓的弹性变形量 #* &+* (
如图 % 所示。 在这个阶段 从图 % 中可以看出， !" 为一直线， 其最高点 " 所对应的应力 !# 称为比例极限。 !!"，
)" ，螺栓的拉力 + 由扭转力矩 $ 和螺栓半径 , 确 即 +-& 定， 而这时被联接件的夹紧力 +- 等于拉力 +， ， 螺栓的伸长量 #* 与扭矩 $ 和扭转角度 +&.%（ $， ,）
收稿日期： !""!$"%$"! 作者简介： 王艳忠（ ， 男， 河北省昌黎县人， 工程师， 研究方向是汽车发动机装配、 工装设计及装配工具的应用。 %)*%$ ）
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王艳忠： 弹性极限拧紧技术及其应用
只 ! 有关，当螺栓确定后， !、 "、 #、 $ 即确定为常数， 有 % 和 ! 是变量，因此上式虎克定律又可转换为 。 "" !&"（ %， !） 从生产设备的角度来讲， 螺栓所受的拉力和它 所产生的弹性变形是难以测量的， 因此用测量旋转 力矩和旋转角度以及计算它们的变化率， 可以实现间接 测量弹性变形量， 从而确定螺栓的拉紧力。 弹性极限拧紧法就是通过监控每一个螺栓的 应变应力（ 曲线， 进而转化为监控旋转角与旋 # #$ ） 曲线及其斜率的变化来控制螺栓拧 转力矩（ ! #% ） 紧程度， 其原理如图 " 所示。
$ $* $+ $, $’-5’ # ’ ’-&3 ’参 %
停止时比值 临界比 临界点
应该将螺栓的应变点控制在 % 点以内， 因此该设备 将停止临界比定为 )*+’ 参 , ・ - $ . 是合乎 理 论 及 实 际情况的。 试验证明， 经过缸盖螺栓拧紧机工作过的 螺栓的变形是在 % 点即弹性极限附近的。 我们知道， 螺栓联接的目的是增强联接的刚性、 紧密性、 防松能力及提高受拉螺栓的疲劳强度。 一般 的正常螺栓联接，都是在螺栓的应变没有超出弹性 范围内拧紧的。而本文介绍的 /0)1"" 设备设计的 螺栓拧紧，是将螺栓的 应 变 拧 到 比 例 极 限 点 2 以 如图 " 所示） 。由于从弹性 上， 弹性极限 % 点以内（ 极限点到抗拉强度极限，材料还能承受一定的塑性变 形量即能承受更大的拉伸应力， 因此用弹性极限法拧 紧缸盖螺栓， 对于缸盖螺栓和燃烧室都是安全的。 通