汽車發(fā)動機螺紋、螺栓、螺帽知識與拆裝(下)

◆文/北京　胡建軍

(接上期)

舉一個非常典型的例子，一次在一個維修廠維修人員遇到一輛奔馳500、KE系列的發(fā)動機大修，揭缸蓋時缸蓋螺栓滑扣，缸蓋螺栓將發(fā)動機缸體相對應(yīng)的螺紋承孔絞碎帶出，80%的螺栓都是如此。在處理這件事時，維修人員第一次是采取將發(fā)動機缸體承孔螺紋加大，配置以加大缸蓋螺栓直徑的做法，結(jié)果螺栓的預(yù)緊力遠沒達到要求螺栓就全部斷了，雖然斷的部位稍有不同。第二次換上了相應(yīng)螺紋直徑的柴油機缸蓋螺栓，結(jié)果又將缸體承孔螺紋絞碎帶出。這樣反復(fù)幾次，最后發(fā)動機相應(yīng)的螺紋承孔已經(jīng)和發(fā)動冷卻水套幾乎貫通，如果不采取適當?shù)拇胧└左w一定報廢，這是客戶所不能接受的。這時維修人員采取了在缸體承孔上鑲絲套的做法，這種絲套內(nèi)外都加工有螺紋，外螺紋與加大直徑的缸體螺紋承孔以過盈配合相連接(并涂以金屬粘接劑)，內(nèi)螺紋可以選用原來的標準直徑的螺栓。

這是唯一可行的方法，但是這種絲套是特殊合金金屬加工的，是采購的商品成品，而這種市面上供應(yīng)的絲套大多數(shù)是為易損的缸蓋上的火花塞預(yù)備的。因此，絲套的長度只有25mm,而缸蓋螺栓要求旋合長度為40mm以上，旋合長度就是說螺栓擰入缸體的長度要達到40mm以上，才能到要求的預(yù)緊力矩。結(jié)果盡管換了新的螺栓，預(yù)緊力矩2/3時，螺栓將絲套一并帶出。這就是不了解螺紋、螺栓知識的結(jié)果。筆者后來看到了這個問題，用合金鋼加工了一個長度42mm的絲套，精度為中度，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，同時換上新的缸蓋螺栓裝和后達到標準預(yù)緊力力矩。

還有一個我們經(jīng)常遇到的例子，以往維修人員為了防止發(fā)動機油底與機體之間結(jié)合部位漏油，無論有密封墊還是沒有密封墊，裝配油底殼時，所有的螺栓總是盡量緊得不能再緊為止，結(jié)果越緊越是漏油，這是典型的不按規(guī)范預(yù)緊螺栓的結(jié)果。超大的預(yù)緊力使得油底殼和發(fā)動機缸體下部產(chǎn)生局部變形，在熱機時尤其嚴重。

2.螺栓、螺母和墊圈

螺栓、螺母和墊圈都設(shè)定有不同的性能等級，具體依照哪一個性能等級是根據(jù)設(shè)計要求定的。所以，發(fā)動機上所有螺栓、螺母、墊圈都是依據(jù)特定的位置(這些位置都經(jīng)過計算，預(yù)緊力矩也根據(jù)功能計算得來)設(shè)計要求加工或選擇的。

(1)典型螺紋、螺栓、螺母、墊圈的組成及特點

典型螺紋、螺栓、螺母、墊圈各部位的名稱及特點如下。

螺紋：螺紋牙頂角度是根據(jù)不同要求設(shè)計成不同角度、形狀，如三角形、梯形、圓角形以及雙線螺紋等(圖1)。

螺栓：過度R角是為了增強螺栓頭部與螺桿的強度(圖2)。千萬不要小看這個R角，我們在很多零部件形位變化結(jié)合部都會加工一個R角作為過渡，這個R角起到增加局部強度和應(yīng)力擴散的重要作用，如有些外加工點不規(guī)范，再磨削曲軸時磨完軸頸忘了修正軸與曲拐之間的R角，結(jié)果造成曲軸斷裂。有些普通螺栓，在一時找不到合適的替代時，不得已選擇同樣但長度稍長的截短代用，但往往忽略在截斷處的斷面邊緣磨削一個450倒角(螺紋入角)。這個倒角很重要，不僅是螺栓便于旋入，而且可以減弱甚至去除剪削力。螺栓的公稱直徑是指螺桿的最大直徑，一般用大寫字母M表示，螺栓的有效直徑用dt表示，是指螺桿的螺紋處最小直徑，也就是螺紋根部的直徑，主要用于計算螺栓的抗拉強度的大小。螺孔的直徑用do或用dw表示。螺栓的長度是指螺桿桿長度，不包括螺桿頭部在內(nèi)，一般來講螺栓長度按旋緊件的旋合長度+墊片厚度+5mm余量。

螺母：螺帽非接觸面必須加工有倒角，接觸面按需要可加工也可不加工倒角(圖3)。D代表內(nèi)螺紋公稱直徑，dw代表牙底直徑，M螺帽的厚度，S螺帽的公稱尺寸，E螺帽的對角尺寸。汽車上常用多種形式的螺母(圖4)，每種形式有特定的用途。

墊圈：它是介于連接件表面和螺栓、螺母之間的一個部件，能使工件在孔口處的受力更均勻一致，不致應(yīng)力集中，根據(jù)功用不同常用墊圈有以下幾種：①平墊圈；②高強度墊圈，由高強度錳鋼制成這種墊圈的一面內(nèi)圈有倒角，使用時有倒角的一面朝向螺母或螺栓頭部沒有倒角的一面緊貼工件；③彈性墊圈，主要用于螺栓和螺母的防松；④斜墊片，墊片表面有一定斜度與工作面相配合。汽車上用的墊圈如圖5所示。

(2)螺栓、螺帽損壞原因

螺栓、螺帽出現(xiàn)折斷、滑扣(擼扣)、裂紋、變形、變軟、銹蝕(氧化)的原因如下。

①折斷：螺栓在擰緊時因承受拉力引起延長，導(dǎo)致螺栓或螺母支撐面承受很大的載荷(產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力)，而且產(chǎn)生的壓縮載荷會產(chǎn)生載荷集中效應(yīng)，或因螺栓伸長(應(yīng)變)超過了彈性極限，于是因塑性屈服產(chǎn)生永久性變形使預(yù)緊力和夾緊力失效，加之循環(huán)變載荷作用在螺栓脈動載荷的反復(fù)作用下，應(yīng)力水平過高、幅值也過高就會長生疲勞斷裂。螺栓折斷一是由于扭力過大，超過其所承受的負載；二是其由于螺栓預(yù)緊力不夠，加之承受軸向力的同時還要承受組合件的橫向剪切力；三是由于環(huán)境因素如頻繁變化的高溫、應(yīng)力、氧化、硫化、堿化、腐蝕等所致；四是材料和加工工藝不符；五是拆裝(強拆強擰)不當。比如經(jīng)常遇到的缸蓋螺栓、排氣歧管螺栓、排氣管螺栓等。還有一些復(fù)雜的物理機制會導(dǎo)致螺栓斷裂在此不去一一介紹。筆者見過一個維修人員用普通螺栓代替連桿螺栓，無知的行為造成極其嚴重的后果。

②滑扣(擼扣)：扭力過大、螺栓與螺紋孔的螺紋不匹配，比如同樣螺距但螺紋的形狀不一樣；同樣螺紋但螺距不一樣(1mm和1.25mm很難用肉眼區(qū)分，必須用螺紋規(guī)比對)；金屬與非金屬組合，比如鋁合金缸體如扭力過大、進水腐蝕、氧化極易產(chǎn)生粘鉸以及頻繁的高溫、應(yīng)力急劇的變化等。

③裂紋：原材料或加工過程以及后期處理的缺陷；疲勞過度。

④變形、變軟、銹蝕(氧化)：組合件位置錯移迫使螺栓彎曲變形、不當外力沖擊造成彎曲變形、伸長變形等；變軟一般是由于疲勞過度或高溫退火造成；銹蝕多是由于氧化、酸堿腐蝕等造成。

三、拆裝工具

發(fā)動機維修工具可分為兩部分：一部分是專用工具，另一部分就是螺栓、螺帽的拆裝工具，它們有呆板手(開口扳手)、梅花扳手、棘輪扳手、套筒(電動)、活動扳手、鋼絲鉗、管鉗、螺絲起子、扭力扳手、接桿、加長桿等。

(1)拆裝注意事項

拆裝應(yīng)注意以下事項。

①注意工具的優(yōu)先使用次序。在拆裝螺釘時，應(yīng)盡可能使用開口板手、梅花扳手或套筒(注意15kPa以上應(yīng)使用梅花扳手，有規(guī)定的一定要使用帶刻度顯示的扭力板子)，盡可能少用活動扳手或鉗子，以免“圓角”。

②螺紋大多數(shù)是右旋的，少數(shù)是左旋的(如：曲軸前傳動盤緊固螺釘)。拆裝時還要注意：對于重要部件的螺釘，必須嚴格遵守它們的力矩規(guī)定值；拆卸螺釘時，要按種類和次序擺放好，為分析故障和裝復(fù)機器創(chuàng)造條件；拆放螺栓時應(yīng)盡量輕拿輕放，以防意外損傷螺紋，同時培養(yǎng)我們文明操作習慣；拆取斷頭螺栓時，一定要使專用工具，盡量不要使用鏨刀榔頭敲擊。

③關(guān)于生銹螺紋的拆卸技術(shù)。可以先緊一下再松；可以噴灑螺紋松動劑或機油；可以用噴燈均勻加熱后再松。

④裝配螺栓、螺帽、墊圈一定要將其表面反復(fù)清理干凈，尤其螺紋表面，要用銅刷清除雜質(zhì)，更要注意組件不通的螺紋盲孔內(nèi)的清理，盲孔里面的金屬雜質(zhì)和液體是造成組件緊而不緊的重要原因。

⑤英制螺紋和公制螺紋，只有極少數(shù)規(guī)格是對應(yīng)的，如5/8和16、9/16和14。

⑥工具和螺釘不要混用。同時，對螺栓做相應(yīng)的檢查和比對，將結(jié)果進行記錄。

(2)螺栓、螺母的分級

螺栓的頭部制有記號，用來辨認其強度級(圖6)。通常英制螺栓，其頭部制有徑向射線來標明強度。徑線數(shù)加2即為螺栓的強度。這種分級稱為SAE級。米制螺栓在其頭部標有數(shù)字，數(shù)字越大，螺栓的強度越大。螺母基本同樣，但5級強度一般不標注。螺栓的強度等級一般有兩位數(shù)組成，二位數(shù)中間以點來分隔，由這個數(shù)字可以確定：最小抗拉強度和最小抗壓強度。

螺栓的強度是指成品螺栓的強度等級，螺母和墊圈的強度等級一般隨螺栓而配套，通常我們用一個帶小數(shù)點的一組數(shù)字表示，其中小數(shù)點左邊的數(shù)字表示其抗拉強度的1%，小數(shù)點右邊的數(shù)字表示屈服強度比，例如：10.9級螺栓抗拉強度就是10×100=1000N/mm2，屈服強度就是1000×0.9=900Nmm2。我們通常使用的螺栓等級有4.8、5.6、8.8、10.9、12.9等若干種，選擇多大的螺栓需要通過力學計算來確定。

米制螺栓、螺帽擰緊力矩規(guī)范由于篇幅所限可查閱相關(guān)資料和《機械設(shè)計手冊》。注意：同樣直徑的細牙螺栓要比粗牙螺栓的強度約提高10%。

(3)屈服力矩螺栓

還要格外引起注意的是：一些重要部位常常使用稱為“屈服力矩螺栓”。屈服力矩螺栓是那些被緊固到預(yù)先設(shè)定的屈服或伸長點。當一個螺栓根據(jù)它的力矩規(guī)范被擰緊的時候，它是不會被拉伸到它的彈性極限的。當屈服力矩螺栓被制造者擰緊的時候，他們有一些微小的伸展，因此，他們比一般標準螺栓擰得緊。一旦被拉伸，它們將不會回到原始尺寸，因此，再次使用時它們就應(yīng)該用和其他相同硬度的新螺栓代替。通常這些屈服力矩螺栓使用在主軸承和汽缸蓋上。而且，通常汽車制造廠家建議在替換新螺栓時，其擰緊螺栓時使用力矩角度計，通過測量旋轉(zhuǎn)的度數(shù)來測量加在螺栓上的力矩。也就是維修手冊上常說的將某螺栓分幾次，并每次旋轉(zhuǎn)多少角度。汽車上常用的通用緊固件如圖7所示。

四、螺栓螺母的防松方法

螺栓螺母的具體防松方法介紹如下。

(1)鎖鋼絲，這是一種在不太重要的場合經(jīng)常使用的方法，通過螺栓頭部預(yù)留的孔穿過一根相應(yīng)粗細的鋼絲，與其配合的工件或相鄰的螺栓相互絞緊，達到防松的目的。

(2)彈簧墊圈，這種方法在2000年以前應(yīng)用的很多，2000年以后逐漸淘汰，因為根據(jù)國外經(jīng)驗分析這種方法措施反而會加劇松動趨勢，并破壞精度加工的零件表面。

(3)鎖固膠(防松膠)，放松效果較好，適用于不經(jīng)常拆卸的場合。

(4)對于8.8級以上的螺栓，如果其長度和公稱直徑比大于5，可省略其他防松措施。

(5)采用特殊鎖緊墊圈，這種方法效果非常好，特別適合振動較大的場合。該墊圈是由兩片帶不同鋸齒形的墊片組成。

(6)采用自鎖螺母，其工作溫度范圍較寬，一般為-500～3000℃。

以上只是有選擇地簡單介紹了一些汽車發(fā)動機上常用的螺栓、螺帽和墊圈知識，目的是讓維修人員了解與螺栓相關(guān)知識，螺栓雖小作用非同尋常，應(yīng)當引起我們高度關(guān)注。成也細節(jié)，敗也細節(jié)，細節(jié)之處方顯我們的真功夫。以上相關(guān)知識在《機械設(shè)計手冊》也有介紹，感興趣的讀者可以查閱。(全文完)