發(fā)動(dòng)機(jī)水道絲堵靜態(tài)扭矩衰減影響因素分析及優(yōu)化

梁樹生 李標(biāo)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

1 前言

水道絲堵為管螺紋涂膠螺栓，通過擰緊絲堵裝配達(dá)到密封缸蓋水道的目的。由于缸蓋水道為涂膠螺紋密封，在實(shí)際裝配擰緊過程中受諸多因素影響，常出現(xiàn)靜態(tài)扭矩衰減不合格進(jìn)而導(dǎo)致泄漏質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至還影響到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能。因此，開展發(fā)動(dòng)機(jī)水道絲堵靜態(tài)扭矩衰減影響因素分析及優(yōu)化尤為重要。

涂膠螺栓密封靜態(tài)扭矩衰減主要受螺栓法蘭面、螺紋副涂膠質(zhì)量及擰緊工藝影響。曾海朋[1]通過優(yōu)化NBR 復(fù)合墊片的參數(shù)，消除了發(fā)動(dòng)機(jī)油路中緊固結(jié)構(gòu)的扭矩衰減。董西峰[2]通過增加扭矩、緊固螺栓涂螺紋膠等工藝試驗(yàn)，改善了油底殼螺栓扭矩衰減問題。陳翔宇[3]研究了螺栓扭矩法和扭矩-轉(zhuǎn)角法的加載步長、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和初始扭矩對擰緊扭矩的影響，使用分步加載可以顯著降低扭矩衰減，同時(shí)步長越小越有利于降低扭矩衰減。龍艷平[4]對汽油機(jī)高壓油管接頭的靜態(tài)扭矩衰減影響因子做了分析，降低擰緊轉(zhuǎn)速、采用分步擰緊法、合理定義安裝扭矩以及均勻布置安裝點(diǎn)能有效改善高壓油管接頭的靜態(tài)扭矩衰減程度。王露濤[5]對影響發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋油堵24 h 靜態(tài)扭矩衰減的因子：油堵墊片角度、擰緊速度、擰緊力矩進(jìn)行DOE 試驗(yàn)，得出油堵擰緊系統(tǒng)中因子各水平的最優(yōu)組合，穩(wěn)定提升油堵裝配24 h 靜態(tài)扭矩。在擰緊工藝造成的扭矩衰減上，他們[6-8]也有著較深入的研究。

在此基礎(chǔ)上，本研究通過對發(fā)動(dòng)機(jī)水道絲堵24 h 靜態(tài)扭矩衰減相關(guān)影響因素分析，結(jié)合DOE試驗(yàn)，提出改善水道絲堵24 h 靜態(tài)扭矩衰減的有效方案，研究結(jié)果對發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠螺紋密封靜態(tài)扭矩衰減有重要的指導(dǎo)意義。

2 原理分析

水道絲堵在擰緊裝配后靜至一段時(shí)間（24 h 靜態(tài)扭矩為衡量指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為62~94 N·m），會(huì)出現(xiàn)不同程度的扭矩衰減（實(shí)際生產(chǎn)過程24 h靜態(tài)扭矩均值68 N·m），當(dāng)衰減到一定程度（低于62 N·m）會(huì)引起水道絲堵密封不良，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏。從水道絲堵生產(chǎn)及裝配過程分析（圖1），水道絲堵靜態(tài)扭矩衰減主要包括螺栓法蘭墊片與缸蓋結(jié)合面、螺紋涂膠質(zhì)量及擰緊工藝3 方面。

圖1 水道絲堵裝配工藝

針對法蘭墊片與缸蓋結(jié)合面，將原墊片負(fù)傾角線密封（圖2）轉(zhuǎn)為平面密封，即增大接觸面積可以有效降低扭矩衰減[9]。針對螺紋涂膠質(zhì)量，主要考慮螺紋涂膠高度（涂膠高度為實(shí)際涂膠高度占螺紋槽深的百分比值，標(biāo)準(zhǔn)值：20%~50%），涂膠高度越高，擰緊過程越容易擠膠至法蘭墊片與缸蓋結(jié)合面造成扭矩衰減；涂膠高度越低，會(huì)導(dǎo)致螺紋填充量不足，進(jìn)而導(dǎo)致水道絲堵泄漏（圖3）。針對擰緊工藝，主要包括擰緊扭矩（終扭矩）、擰緊速度等，增大擰緊扭矩，更有利于扭矩保持[2]；而水道絲堵擰緊過程，使用分步擰緊及降低擰緊速度，能降低靜態(tài)扭矩衰減程度[3-8]，目前水道絲堵擰緊過程已分多步且速度較慢，擰緊速度不在本研究范圍內(nèi)。

圖2 水道絲堵墊片負(fù)傾角線密封

圖3 涂膠高度過高/過低的影響

為此，設(shè)計(jì)了DOE 試驗(yàn)，對影響靜態(tài)扭矩衰減的主要因子做詳細(xì)研究。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 DOE試驗(yàn)方案

DOE 試驗(yàn)是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從眾多影響因子中找出主要因子，分析各影響因子之間的交互作用大小，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析以獲取最優(yōu)方案的統(tǒng)計(jì)方法[10]。

根據(jù)原理分析、樹圖及因果矩陣圖分析，確定最終影響水道絲堵24 h 靜態(tài)扭矩衰減的主要因子：擰緊扭矩、涂膠高度、墊片角度。為研究各因子對24 h 靜態(tài)扭矩衰減影響，進(jìn)行DOE 試驗(yàn)。由于涂膠高度又受涂膠質(zhì)量、烘干溫度影響，因此DOE 試驗(yàn)分兩步進(jìn)行。

a.以24 h 靜態(tài)扭矩作為響應(yīng)，尋求擰緊扭矩、涂膠高度、墊片角度的最優(yōu)組合值，設(shè)計(jì)為3 因子的全因子并安排3 個(gè)中心點(diǎn)的全因子試驗(yàn)，各因子水平見表1；

表1 以24 h靜態(tài)扭矩作為響應(yīng)的DOE試驗(yàn)

b.以涂膠高度作為響應(yīng)：烘干溫度和涂膠質(zhì)量作為因子，設(shè)計(jì)2 因子2 水平并仿形2 次外加4 個(gè)中心點(diǎn)的全因子試驗(yàn)，在最佳涂膠高度值下，尋求最優(yōu)控制參數(shù)，各因子水平見表2。

表2 以涂膠高度作為響應(yīng)的DOE試驗(yàn)

3.2 DOE試驗(yàn)結(jié)果分析

a.以24 h 靜態(tài)扭矩作為響應(yīng)的DOE 試驗(yàn)結(jié)果分析，建立因子回歸模型，模型中只包含主效應(yīng)和二階交互作用項(xiàng)。圖4 為Mintab 對試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果，從標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)圖可知，在顯著水平α=0.05 的情況下，擰緊扭矩、涂膠高度、墊片角度以及擰緊扭矩與涂膠高度的交互作用項(xiàng)顯著。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)

從24 h 靜態(tài)扭矩主效應(yīng)圖及交互作用圖可知（圖5），擰緊扭矩越大越有利于靜態(tài)扭矩保持，降低涂膠高度、墊片角度可以降低扭矩衰減。

圖5 主效應(yīng)及交互作用

生成響應(yīng)變量曲面圖如圖6 所示，24 h 靜態(tài)扭矩在擰緊扭矩為最大和涂膠高度為最小時(shí)取得更大值。于是，對數(shù)據(jù)及模型進(jìn)行響應(yīng)優(yōu)化分析（望大型），獲取因子水平最佳組合值。如圖7，當(dāng)因子擰緊扭矩為84 N·m，涂膠高度為35%，墊片角度取0°時(shí)，可以使24 h 靜態(tài)扭矩達(dá)到最優(yōu)。

圖6 響應(yīng)變量曲面

圖7 響應(yīng)優(yōu)化分析

b.以涂膠高度作為響應(yīng)的DOE 試驗(yàn)結(jié)果分析，建立因子回歸模型，模型中只包含主效應(yīng)和二階交互作用項(xiàng)，圖8 為Mintab 對試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果，從標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)圖可知，在顯著水平α=0.05 的情況下，烘干溫度、涂膠質(zhì)量及烘干溫度與涂膠質(zhì)量的交互作用項(xiàng)顯著。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)圖

從涂膠高度主效應(yīng)圖及交互作用圖可知（圖9），涂膠高度與烘干溫度、涂膠質(zhì)量成正比關(guān)系。

圖9 主效應(yīng)及交互作用

為使涂膠高度達(dá)到最優(yōu)值35%，對數(shù)據(jù)及模型進(jìn)行響應(yīng)優(yōu)化分析（望目型），如圖10，當(dāng)烘干溫度為75 ℃、涂膠質(zhì)量為0.25 g（取兩位有效數(shù)字）時(shí)，可達(dá)到涂膠高度目標(biāo)值35%。

圖10 響應(yīng)優(yōu)化分析

4 擴(kuò)大驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 涂膠高度控制限

為了在生產(chǎn)中能更好地監(jiān)控涂膠高度，需要使用分析用控制圖確認(rèn)最終的控制限。試驗(yàn)方案為烘干溫度75 ℃、涂膠質(zhì)量為0.25 g，連續(xù)生產(chǎn)125 個(gè)水道絲堵，通過投影儀測量涂膠高度（測量系統(tǒng)GR&R=9.16%≤10%，ok）。從涂膠高度的Xbar-R 及過程能力圖可知（圖11），過程受控、穩(wěn)定；Cpk=1.97，過程能力充足，涂膠高度過程控制限（取整）：下限LCL=32%，上限UCL=39%。

圖11 涂膠高度的Xbar-R及過程能力

4.2 24 h靜態(tài)扭矩過程能力

根據(jù)DOE 試驗(yàn)結(jié)果，為了分析水道絲堵擰緊系統(tǒng)中因子水平的最優(yōu)組合是否可以穩(wěn)定提升24 h 靜態(tài)扭矩，進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)方案：以上述3.1 生產(chǎn)的125 個(gè)水道絲堵（烘干溫度75 ℃、涂膠質(zhì)量0.25 g、墊片角度0°）及擰緊扭矩84 N·m進(jìn)行水道絲堵擰緊裝配，試驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示。

圖12 24 h靜態(tài)扭矩的過程能力圖

從圖中可以看出，Cpk=1.55，24 h 靜態(tài)扭矩從未優(yōu)化參數(shù)前的68 N·m 提升至均值82 N·m，提升效果顯著。

5 結(jié)論

針對發(fā)動(dòng)機(jī)水道絲堵24 h 靜態(tài)扭矩衰減問題，先從原理分析其影響因素，通過DOE 試驗(yàn)優(yōu)化擰緊扭矩、涂膠高度、墊片角度參數(shù)水平，得出如下結(jié)論。

a.因子擰緊扭矩、涂膠高度、墊片角度的主效應(yīng)及擰緊扭矩與涂膠高度的交互作用對響應(yīng)變量24 h 靜態(tài)扭矩的影響是顯著的；

b.提升擰緊扭矩、降低墊片角度以及合理的涂膠高度范圍可以降低24 h 靜態(tài)扭矩衰減程度；

c.烘干溫度、涂膠質(zhì)量的主效應(yīng)及烘干溫度與涂膠質(zhì)量的交互作用對響應(yīng)變量涂膠高度的影響是顯著的，涂膠高度最優(yōu)控制限：下限LCL=32%，上限UCL=39%；

d.通過DOE 實(shí)驗(yàn)，得出水道絲堵裝配過程中因子各水平的最優(yōu)組合，且該最優(yōu)組合可以穩(wěn)定提升24 h 靜態(tài)扭矩。