浅析_扭矩_转角_紧固法在连杆螺栓紧固过程中的应用_王海渊

随着新工艺技术在发动机上的的应用，“扭矩 +转角”紧固法被越来越多地应用在发动机螺栓装 配质量控制上。“扭矩+转角”紧固法是在拧紧达 到规定的贴合扭矩后，转动螺纹件达到规定角度， 来实现工件间的预紧力。尽管螺纹件摩擦系数对达 到贴合扭矩的拧紧所产生的阶段预紧力有较小影 响，但螺纹摩擦系数对转角拧紧所产生的预紧力基 本无影响，因为在弹性变型区内，若弹性模量恒 定，按胡克定律 F=KX，预紧力 F 仅与螺栓伸长量 X 有关，而伸长量与转角度数成正比。影响因素较 纯扭矩法大大减小，因此采用“扭矩+转角”紧固 法后，螺栓的可靠性在理论和实践上都得到了有效 的保证。
N·m 扭矩紧固方式。在对 52 根连杆螺栓采用 270
N·0m.58紧固后，试验数据见图 3。
0.54
0.5
0.46
0.42
0.38
伸长量
0.34
平均值
0.3 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49
序号（根）
图 3 270 N·m 手动扳手拧紧曲线
试验数据表明采用纯扭矩法扭紧，螺栓平均伸 长量约为 0.46 mm。螺栓伸长量差异超过 50%，换 言之，螺栓轴向预紧力的差异超过 50%。由此可
扭矩法是利用扭矩与预紧力的线性关系在弹性 区进行紧固控制的一种方法。在拧紧时，当达到规 定扭矩时即停止拧紧。以螺纹连接拧紧力矩形式表 示拧紧程度，即拧紧时的外力矩等于螺纹拧紧力 矩。该拧紧方法产生的轴向预紧力因受磨擦副加工 精度、粗糙度、润滑条件、扭紧速度等因素影响极 为明显，导致轴向预紧力控制精度相对较低，预紧 力离散度有时高达±40%。当摩擦系数 f 大时，按 规定扭矩拧紧却保证不了最小预紧力。当摩擦系数 f 过小时，达到规定拧紧力矩，可能超过螺栓的屈 服点，发生螺栓变形、断裂、螺纹撸扣、座面凹陷 等质量问题。紧固时螺栓所施加的扭矩和夹紧力之 间的关系见图 2。
连杆螺栓的压紧力产生于连杆螺栓拉长时的弹
·32·
内燃机
2013 年 4 月
高摩擦力 普 通
伸长量/mm
性变形。所以要得到准确的压紧力就必须有效控制 连杆螺栓的伸长量。
2 螺栓紧固方法比较
连杆螺栓常用紧固方法有扭矩法、“扭矩+转 角”法、轴向拉伸法。由于受安装空间和安装效率 的影响，中小型发动机连杆螺栓通常采用前两种紧 固方式。 2.1 扭矩法
连杆是发动机的重要部件，在发动机工作时， 连杆小头和活塞一起作往复运动，把作用在活塞 上的气体压力传递给曲轴，将活塞的往复直线运 动变成曲轴的旋转运动。连杆螺栓是连杆主要受 力件之一，由于长期承受着交变负荷作用，当使 用不当或安装不正确时，往往会引起裂纹、螺纹 连接松动、连杆螺栓断裂现象，造成严重质量事 故。因此连杆螺栓装配质量的好坏直接影响到发 动机的装配质量。
表 1 检测数据
大小头瓦孔平行误差 项目 （要求 100 : 0.06）
Hale Waihona Puke Baidu
大小头瓦孔扭曲误差 （要求 100 : 0.05）
范围
≤0.03
＞0.03 ～0.04
＞0.04 ～0.06
＞0.06
≤0.03
＞0.03 ～0.04
＞0.04 ～0.05
＞0.05
数量 28 19 1 0 42 5 1 0
比例 58.4％ 39.6％ 2％ 0 87.6％ 10.4％ 2％ 0
3 连杆螺栓紧固试验研究
通常连杆合装使用扭矩法，采用手动扭力扳手
扭紧来间接地控制连杆螺栓预紧力。阿特拉斯拧紧
机广泛应用于发动机行业，除扭紧精度能达到 3%
以上外（手动扳手一般为 5%），还具有手动扳手
无法比拟的许多优点。因此本次试验首先确定使用
阿特拉斯拧紧机（以下简称 Atlas 拧紧机）代替传
统手动扭力扳手，选用可以较好控制轴向预紧力的
[参考文献] [1] 闻邦椿. 机械设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.
扭矩
屈服应力极限
摩擦力
低摩擦力
夹紧力
坏的螺纹 普通
润滑后的螺栓
夹紧力
图 2 紧固时螺栓所施加的扭矩和夹紧力之间的关系
在螺栓装配中，受螺栓质量、接合面粗糙度、 润滑等因素的影响较大时，一般只有 10% 左右的 扭矩最终转化为螺栓夹紧力，其余的主要用于克服 螺栓头下的摩擦力和螺纹副间的摩擦力。因此提高 连杆螺栓装配质量的关键是尽量降低螺栓在装配过 程中摩擦力对最终夹紧力的影响。 2.2 “扭矩+转角”紧固法
轴，使活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动。连杆螺栓是连杆部件中的主要受力件之一，长期承受着交变载荷的作
用，因此连杆螺栓装配质量直接影响着发动机的使用寿命。我们就连杆螺栓装配拧紧的方式进行了阐述，并就其中“扭矩
+转角”法的应用过程进行了详细的说明。
关键词：螺栓紧固；连杆螺栓；扭矩转角法
中图分类号：TK426
第2期
王海渊，等：浅析“扭矩+转角”紧固法在连杆螺栓紧固过程中的应用
·33·
见，摩擦副加工精度、粗糙度、润滑条件等因素影 响极为明显。 3.3 螺栓拉伸试验
为进一步确定连杆螺栓在合装状态的实际伸长 量，对螺栓进行拉伸试验。螺栓拉伸数据见图 4。
0.7
0.6
变形量/mm
0.5
0.4
0.3
实验螺栓
367 号螺栓
连杆体
连杆轴瓦
连杆盖
图 1 某柴油机连杆总成
开，在装配时需加足够的预紧力。此预紧力的一部 分用来使连杆轴瓦与大头孔具有过盈配合，而又贴 合良好，另一部分用来使连杆大头和连杆盖之间具 有足够的夹紧力，防止在往复惯性力的作用下，大 头剖分面产生缝隙。
如果装配预紧力小于规定要求，在工作中大头 剖分面处会产生缝隙，使连杆螺栓受到更大的交变 冲击载荷，造成疲劳断裂。如果装配预紧力大于规 定要求，则会造成连杆螺栓材料超过屈服极限，也 会产生断裂。因此，过大或过小的装配预紧力，都 会破坏连杆大头轴承的配合精度，引起轴瓦损坏。
文献标识码：B
文章编号：1000 - 6494（2013）02 - 0031 - 03
Application of “Torque and Angle” in Tightening Bolt of Connecting- rod
WANG Haiyuan, SUN Xibo, SHAO Lixin, XU Sanpeng, LI Xiaojing, LI Zhensheng (Jichai General Power Plant, China Petroleum Group, Jinan 250306, China)
0.2
489 号螺栓
666 号螺栓
0.1
689 号螺栓
0 0.2 0.6 1 1.4 1.8 2.2 2.6 3 3.4 3.8 4.2 4.6 5 5.4 5.8 6.2 6.6 7
表压/MPa
图 4 连杆螺栓变形量列表
从图 4 中可看出，理论计算的螺栓变形量小于
实测值。换言之，为达到相同的变形量，实际拉力
该连杆螺栓螺距为 1.5 mm，在把连杆盖和连杆体
视为刚体，螺纹旋合部分不变形的情况下，螺栓旋
转 x 度，则螺栓的变形量为 [（x /360）×1.5] mm。
初步推断螺母转角为 91.2°～110.4°。为此，分
别 进 行 了 “ 110 N· m +72°”， “ 110 N· m +
90°”，“110 N·m +103°”三种角度的连杆螺
Abstract: Connecting rod is one of the critical components that directly transfer the power to the crankshaft. As one of the parts supporting interchange load, its assembly quality have an effect on the life of diesels. This paper analyses the ways of tightening bolts, especially the process of the “torque and angle” technique. Key words: bolt tightening; bolts of con-rod assembly; “torque and angle” technique
检测数据表明，连杆螺栓采用“初始扭矩+转 角”紧固法大大降低了连杆大小头瓦孔平行误差和 大小头瓦孔扭曲误差，提高了连杆瓦的合装精度。
4 结论
连杆螺栓采用“扭矩+转角”紧固方式较纯扭 矩紧固方式能够更加有效保障连杆大头结合面夹紧 力，提高连杆瓦的合装精度； Atlas 拧紧机具备较 高的拧紧精度和错误校验功能，保证了连杆螺栓装 配的稳定性和可靠性。
栓紧固试验，试验数据见图 5。
综合试验数据和计算结果，确定连杆螺栓紧固
过程中的初始扭矩（贴合扭矩）和转角值为 110
N·m + 103°，最终扭矩值监控范围为 264～314
N·m。为验证该控制参数的合理性，进一步进行
了连杆瓦合装试验验证。
3.5 连杆瓦合装验证
采用 Atlas 拧紧机按照“110 N·m+103°”控
伸长量/mm
0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 1415 16 序号（件）
（b）不同合装角度伸长量对比
110 N·m+103° 100 N·m+90° 100 N·m+72°
图 5 实验数据
连杆大头瓦孔尺寸、平行度进行了检测，检测数据 见表 1。
较理论值更大，考虑到手动扭力扳手扭紧后的螺栓
平均伸长量约为 0.46 mm，因此，在确定拧紧参数
时螺栓实际伸长量应适当大于理论计算值。初步确
定螺栓实际伸长量范围为 0.38～0.46 mm。
3.4 不同参数设置下 Atlas 拧紧机“扭矩+转
角”合装试验
采用“扭矩+转角法”紧固时，初始扭矩对螺
栓最终伸长量变形的影响很小，基本可忽略不计。
第2期 2013 年 4 月
内燃机 Internal Combustion Engines
No. 2 Apr. 2013
浅析“扭矩+转角”紧固法在连杆螺栓 紧固过程中的应用
王海渊，孙希波，邵立新，许三鹏，李晓静，李振声 （ 中国石油集团济柴动力总厂，山东 济南 250306）
摘要：连杆是柴油机的主要传力构件之一，其作用是把活塞和曲轴连接起来，将作用在燃烧室中的燃气爆发压力传给曲
1 概述
图 1 所示为某柴油机连杆总成。 该连杆通过四个螺栓将连杆体与连杆盖可靠地 联接在一起，使其构成曲柄销可靠的轴承。为防止 连杆体和连杆盖的结合面在工作载荷的拉伸下脱
作者简介：王海渊（1977 -），男，工程师，主要从事 内燃机制造工艺技术研究。
收稿日期：2012 - 11 - 29
连杆衬套 连杆螺栓 连杆螺母及垫片
制参数对 48 件连杆进行合装试验，并对合装后的
扭矩/(N·m)
330 310 290 270 250 230 210 190 170
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 1213141516 序号（件）
（a）不同合装角度扭矩对比
110 N·m+103° 100 N·m+90° 100 N·m+72°
“扭矩+转角”紧固法对连杆螺栓进行工艺试验。
为保证扭紧方法改变中扭紧参数的有效传递，我们
进行了以下试验、计算和分析。
3.1 计算螺栓伸长量
通过对螺栓的夹紧力分析和验算，螺栓理论伸
长量约为 0.36～0.42 mm。
3.2 用传统手动扭力扳手采用扭矩法紧固后的螺
栓伸长量
该连杆螺栓在传统装配过程中一直执行 270