汽車維修中的螺栓常識(shí)與緊固方法(上)

◆文/遼寧 王振選 莊開明

汽車維修中的螺栓常識(shí)與緊固方法(上)

◆文/遼寧 王振選 莊開明

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是由許多零部件組裝而成，將這些零部件結(jié)合起來(lái)大多需要采用螺紋連接。螺紋連接和焊接、鉚接、黏接等永久結(jié)合方式有所不同，如有需要?jiǎng)t可進(jìn)行簡(jiǎn)單的分離。螺紋零件是非永久結(jié)合方式不可缺少的零件。對(duì)于汽車維修來(lái)說(shuō)，進(jìn)行螺栓的拆卸及組裝是基礎(chǔ)。然而，使用螺釘不當(dāng)有時(shí)會(huì)在安全上、品質(zhì)造成重大的影響，因此本文將為讀者介紹螺紋的緊固原理以及緊固方法。

一、螺紋的種類

現(xiàn)代汽車基本上使用的螺紋采用ISO規(guī)定的公制螺紋。除特殊的部分以外，標(biāo)準(zhǔn)的公制螺紋零件(螺栓、螺母、螺釘類)均采用以下的螺紋直徑和螺距，如圖1和表1所示。

圖1 螺距與螺紋示意圖

表1 螺紋的直徑和螺距

特殊螺紋與標(biāo)準(zhǔn)公制螺紋沒(méi)有互換性，如表2所示。

表2 特殊螺紋

二、螺紋的大小

螺紋的大小用外螺紋的外徑表示。六角面的對(duì)邊寬度尺寸只表示適當(dāng)?shù)墓ぞ叱叽缗c螺紋的大小沒(méi)有關(guān)系，如圖2所示。

圖2 螺紋的大小與對(duì)邊尺寸

三、對(duì)邊寬度尺寸

六角面的對(duì)邊寬度是使用扳手、內(nèi)六角扳手等工具的參考值。在表示工具的尺寸時(shí)用該對(duì)邊寬度的尺寸表示。例如10×12mm扳手表示適合于六角面的對(duì)邊寬度尺寸為10mm和12mm的螺紋零件(不限追加范圍)。圖3為常用的典型對(duì)邊寬度尺寸和螺紋大小對(duì)照表，但要注意對(duì)邊寬度尺寸與螺紋大小的對(duì)應(yīng)有時(shí)和右表有所不同。有的對(duì)邊寬度尺寸有22mm、24mm、27mm、30mm、32mm等。由于火花塞采用的是特殊的對(duì)邊寬度，所以必須用專用的火花塞套筒扳手拆卸(16mm、18mm、20.6mm等)。

圖3 對(duì)邊寬度與螺紋尺寸

四、六角頭螺栓的強(qiáng)度代號(hào)

根據(jù)螺栓的材質(zhì)，對(duì)六角頭螺栓設(shè)定了強(qiáng)度代號(hào)，如圖4所示。

圖4 螺栓強(qiáng)度代號(hào)

根據(jù)螺栓的材質(zhì)的區(qū)別為標(biāo)準(zhǔn)螺栓和高強(qiáng)度螺栓。在組裝時(shí)應(yīng)注意高強(qiáng)度螺栓的位置，且標(biāo)準(zhǔn)螺栓只要不是特別指定時(shí)都可用標(biāo)準(zhǔn)力矩緊固，而高強(qiáng)度螺栓則有指定的緊固力矩。沒(méi)有強(qiáng)度代號(hào)的6mmSH螺栓(對(duì)邊寬度8mm，螺紋大小為6mm的凸緣螺栓)全部按一般標(biāo)準(zhǔn)螺栓對(duì)待。

圖5所示為沒(méi)有強(qiáng)度代號(hào)的DR螺栓(六角頭部減輕重量的凸緣螺栓)，根據(jù)凸緣的外徑來(lái)區(qū)別。相同的六角面尺寸但凸緣大的螺栓則是高強(qiáng)度螺栓，我們將這種螺栓稱為塑性區(qū)域螺栓，這種螺栓在汽缸蓋、連桿、飛輪上使用比較多，緊固時(shí)要求達(dá)到一定轉(zhuǎn)矩后，再旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，應(yīng)注意它們的安裝位置和緊固力矩。

圖5 DR螺栓(塑性區(qū)域螺栓)

圖6 所示為UBS螺栓，包括在高強(qiáng)度螺栓中，從外觀上是根據(jù)螺栓頭的根部是否有根切來(lái)區(qū)別。UBS螺栓有時(shí)帶強(qiáng)度代號(hào)，有時(shí)不帶，且承壓面上還帶有5-60′微小角度。

圖6 UBS螺栓

五、螺紋的緊固力

在采用螺紋將兩個(gè)以上的零件連接時(shí)，使用過(guò)程中這些零件必須能承受住外拉力且結(jié)合狀態(tài)不發(fā)生變化，也就是說(shuō)必須維持住沒(méi)有分解脫落、沒(méi)有間隙、沒(méi)有錯(cuò)動(dòng)的狀態(tài)?？傊?，最重要的就是采用螺紋連接的結(jié)合零件相對(duì)于外力能否充分的緊固力進(jìn)行連接。采用螺紋的結(jié)合體在使用中能維持其功能充分的緊固力就是適宜的緊固力。

圖7所示為采用一顆螺栓的緊固力，其相當(dāng)于螺栓軸方向的拉伸力。因此，有這樣的說(shuō)法：螺栓的緊固力和螺栓的軸向力兩者意義相同。

圖7 螺栓緊固力與軸向力

用螺栓緊固所提供的緊固力(初期緊固力)由于時(shí)間的推移使用中的外力與振動(dòng)，緊固力會(huì)降低，這就是螺紋的松馳。即使初期緊固力適宜，但由于松馳而喪失緊固狀態(tài)，也會(huì)導(dǎo)致零件損壞。因此對(duì)于螺栓使用初期接合面磨合、彈性喪失等不可避免的緊固力降低的問(wèn)題，解決方法就是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后再進(jìn)行緊固增緊。

螺紋的適宜緊固力由螺紋的強(qiáng)度、被緊固件的強(qiáng)度、外力的大小等來(lái)決定，對(duì)特別重要的部位必須正確地緊固。如圖8所示，當(dāng)連桿軸承蓋等緊固力比適宜值大時(shí)，被緊固件(軸承蓋)就會(huì)稍微變形，軸瓦的油膜間隙就會(huì)比規(guī)定值小，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)齻S瓦。反之，若軸承蓋得不到充分的緊固力，由于急劇的連桿的外力變動(dòng)，有可能產(chǎn)生螺母、軸承蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)中脫落，導(dǎo)致重大的發(fā)動(dòng)機(jī)故障。

圖8 連桿螺栓與油膜關(guān)系

六、緊固力矩

在螺紋的緊固中最重要的是緊固力，但是緊固力(軸向力)的測(cè)定較為困難。如圖9所示，假定螺紋的緊固力矩旋轉(zhuǎn)角不變，那么緊固力矩則與螺紋的軸向力成比例。通常進(jìn)行的就是對(duì)緊固力矩的核定。在力矩的核心定法中必須注意，在一定條件下雖可得到軸向力和力矩的比例關(guān)系，但條件不同時(shí)，即使用同樣的力矩來(lái)緊固螺紋，軸向力也會(huì)發(fā)生變化。

圖9 緊固力矩與軸向力

圖10 表示在螺紋部粘附著油脂類時(shí)的摩擦系數(shù)(μ)，圖11表示不同摩擦系數(shù)時(shí)螺紋的緊固力矩與軸向力。在緊固力矩和被緊固件的材質(zhì)等都相同的條件下，μ也有很大的不同。施加給無(wú)潤(rùn)滑螺紋的緊固力矩的88%～92%由支承面及螺紋面的摩擦所消耗，能有效地改變軸向力范圍的約為8%～12%。若減少摩擦，改變軸向力的比率就會(huì)變大。也就是μ越值低軸向力越高。因此，即使是同樣的緊固力矩，軸向力也是不同的。

圖10 不同條件時(shí)螺紋的摩擦系數(shù)

圖11 不同摩擦系數(shù)時(shí)螺紋的緊固力矩與軸向力

在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下μ的波動(dòng)范圍較大，反復(fù)地拆卸螺紋還存在著μ的數(shù)值變大的傾向。在維修手冊(cè)中指定涂抹機(jī)油的部位就是穩(wěn)定這種軸向力的重要部位，必須遵守維修手冊(cè)的規(guī)定。在維修手冊(cè)中不指定涂抹機(jī)油的部位可以是無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)。

潤(rùn)滑螺紋部及支承面，摩擦力變小，螺紋的鎖緊效果就會(huì)變差。為了提高螺紋的軸向力、充分獲得緊固力，螺紋的松馳也就不容易產(chǎn)生了。緊固力矩由螺紋的大小、強(qiáng)度和被緊固件的強(qiáng)度來(lái)決定，適宜的緊固力矩在設(shè)定時(shí)應(yīng)具有一定的范圍。但考慮到扭力扳手的精度及螺紋摩擦系數(shù)的誤差，有必要以力矩的下限與上限值間的中間值為目標(biāo)進(jìn)行緊固，在各維修手冊(cè)中基本上是以中間值表示。

七、鋼性域緊固與塑性域緊固

螺栓緊固通常是在所謂“彈性域”內(nèi)完成的。在彈性域里所緊固螺栓的軸向拉伸應(yīng)力與螺栓的旋轉(zhuǎn)角成正比增加。如超過(guò)彈性域緊固螺栓，則會(huì)有螺栓的旋轉(zhuǎn)角變化，而螺栓的軸向拉伸應(yīng)力則變化很少。這個(gè)區(qū)域就稱為塑性域。

通常有兩種緊固螺栓的方法：一種是在彈性域內(nèi)緊固螺栓(常規(guī)方法)；另一種是在塑性域內(nèi)緊固螺栓。在一些發(fā)動(dòng)機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、連桿軸承蓋或曲軸蓋之間的連接螺栓都是在塑性域內(nèi)緊固的。在這種緊固方法中，先用預(yù)定扭矩將螺栓緊固至接近其屈服點(diǎn)，然后再用一預(yù)定的扭矩使其超過(guò)屈服點(diǎn)進(jìn)行緊固。在塑性域內(nèi)，這類螺栓發(fā)揮軸向拉伸應(yīng)力。在彈性域內(nèi)，緊固扭矩與螺栓軸向應(yīng)力(與螺栓旋轉(zhuǎn)角等效)成正比。在緊固過(guò)程中，螺栓拉伸應(yīng)力會(huì)有較大變化。如圖12所示，在塑性域內(nèi)，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)角的變化，軸向拉伸力沒(méi)有什么變化。

圖12 螺栓拉伸應(yīng)力與螺栓旋轉(zhuǎn)角關(guān)系

這里需要說(shuō)明的是，塑性域螺栓是一種特殊螺栓，普通螺栓不能應(yīng)用這種方法緊固，否則會(huì)造成斷裂。另一方面，塑性螺栓必須在塑性域內(nèi)緊固，否則就達(dá)不到規(guī)定的扭矩。

例如豐田2C發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋螺栓的緊固方法如下。

1.將18顆汽缸蓋螺栓按要求分2～3次依圖13所示順序均勻地緊固到44Nm，如有不符合扭矩標(biāo)準(zhǔn)的螺栓，應(yīng)立即更換。并且在緊固之前，先在汽缸蓋螺栓螺紋和螺帽下方涂上一薄層機(jī)油。如有螺栓斷裂和變形，即予以更換。

圖13 豐田野C發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋螺栓緊固順序

2.在每個(gè)缸蓋螺栓頂部的前方，如圖14所示，用油漆涂上標(biāo)記。

圖14 缸蓋螺栓頂部涂上標(biāo)記

3.按圖13所示順序，將18顆缸蓋螺栓擰緊90°，然后將螺栓再擰緊90°，如圖15所示。

圖15 擰緊螺栓

4.進(jìn)行檢查，油漆標(biāo)記應(yīng)對(duì)準(zhǔn)后方，如圖16所示。在舊式發(fā)動(dòng)機(jī)中，如圖17所示，六角螺栓用于塑性域緊固，這類螺栓的頭部有安裝槽，使其易識(shí)別為塑性域螺栓。

八、螺紋的松馳

螺紋出現(xiàn)松馳情況，大部分是由于螺紋的結(jié)合體上加有循環(huán)外力，導(dǎo)致螺紋的軸向力降低而引起的，如圖18所示。

一般說(shuō)來(lái)，被緊固件緊固后，螺紋的反力由螺紋零件的支承面承受。若對(duì)該結(jié)合體施加循環(huán)外力，被緊固件就承受不了作用在支承面上的壓縮應(yīng)力，隨著時(shí)間推移，支承面陷落(壓塌)使螺紋的軸向力降低。另外，螺栓自身的疲勞、螺牙的磨合等也會(huì)降低軸向力。某種程度的早期磨合引起的軸向力降低通常是不可避免的，但若充分地給予初期緊固力，雖有壓塌及磨合引起的軸向力降低，還能維持必要的軸向力，螺紋的自然松馳也就難以產(chǎn)生。

圖16 標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)后方

圖17 塑性域螺栓

圖18 螺紋的松馳現(xiàn)象

在循環(huán)外力較為急劇的部位，如圖19所示，往往采用對(duì)應(yīng)于緊固力的彈性變形量大的特殊螺栓，或?qū)?yīng)于連接部位的磨合，壓塌的軸向力降低比例較小的特殊螺栓。在這些特殊螺栓的位置上若誤裝平常的螺栓也會(huì)產(chǎn)生松馳，在組裝時(shí)必須給予和螺栓的強(qiáng)度區(qū)分同樣的注意。

圖19 特性螺栓(塑性)

（未完待續(xù)）