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    螺栓组预紧力的测量装置及应用

    放大字体  缩小字体 发布日期:2022-09-02 14:03:31    来源:本站    作者:标准件之家    浏览次数:905
    导读

    螺栓联接方式应用广泛,随着人们对产品装配要求的不断提高,对于关键部位的螺栓组装配预紧力也提出了严格的要求和测试需求。本文介绍了一种利用普通轴力计,采用专用测量装置可实现对螺栓组预紧力进行测量的方法及其在发动机喷油器压板螺栓组装配预紧力测量上

    螺栓连接应用广泛。随着人们对产品装配要求的不断提高,对螺栓组关键零件的装配预紧力提出了严格的要求和试验要求。介绍了一种利用普通轴向力仪和专用测量装置测量螺栓组预紧力的方法,及其在测量发动机喷油器压盘螺栓组总成预紧力中的应用。螺纹紧固件连接的应用螺纹紧固件装配连接方式具有结构简单、成本低、对装配工具要求低、安装拆卸方便、维修更换容易等优点,因此在机械、汽车等行业得到了广泛的应用。例如,仅一辆普通汽车就需要配备大约数千个螺纹紧固件。在螺纹紧固件装配连接的应用中,螺栓(螺钉)的应用占绝大多数,螺栓多为成组连接。虽然这些螺栓很小,但它们的作用不容忽视。一旦它们出现故障,整个机械装置往往会无法工作,甚至机器会被破坏,人会死亡。这也是为什么很多车企因为一个小螺丝的质量问题召回所有车型的原因。随着社会对产品质量要求的提高,螺栓装配预紧力的测量需求日益增加。在许多产品的设计和装配中,对螺栓组件关键连接部位的装配扭矩、装配预紧力等装配质量要求也越来越高。例如,在新开发的满足国排放标准的柴油机高压喷油器压盘螺栓组装配设计中,对螺栓组的装配预紧力提出了严格的要求,还提出了测量螺栓组装配预紧力的要求。为了开发新产品和验证螺栓装配工艺是否合理,许多用户提出了测量螺栓装配预紧力的要求。但是,由于缺乏专门的测量装置和方法,目前还没有办法测量螺栓装配预紧力。喷油器是柴油机的关键部件,它需要准确的装配预紧力,因为它的装配质量对发动机的可靠运行起着非常重要的作用。一般情况下,喷油器通过压盘及其紧固螺栓组固定装配在发动机气缸盖上(见图1)。为了保证喷油器的可靠工作,必须保证喷油器在发动机气缸盖上的正确安装,并严格控制螺栓组的装配预紧力。图1发动机喷油器和固定压盘由于没有有效的方法直接测量喷油器压盘螺栓组在发动机上的轴向预紧力,我们只能在实验室模拟喷油器在发动机上的装配状态来测量喷油器的轴向预紧力,然后根据测量结果制定合理的压盘螺栓拧紧工艺来间接控制喷油器的轴向预紧力。实验室中单个螺栓(螺钉)预紧力的测量方法目前实验室采用普通轴力传感器(俗称轴力计)来测试螺栓(螺钉)组件的预紧力,以及螺栓拧紧性能的测试。普通轴力计是空心结构(见图2)。测试时,先安装测试夹具,然后将测试螺母和测试垫分别放在轴力计两侧,再插入测试螺栓逐步拧紧。测试螺母和测试垫会从轴向力仪的两侧对轴向力仪施加力,这样轴向力仪就可以测量螺栓在拧紧过程中的轴向预紧力。图2常用轴力计结构及单个螺栓预紧力测试图螺栓装配预紧力测量装置的研制为了满足产品开发和用户对螺栓装配预紧力的测试要求,以及螺栓装配工艺的设计和验证要求,我们开始了螺栓装配预紧力测试技术方案的研究。1.测试设备的确定。螺栓预紧力的测试需要相应的测试装置。由于螺栓组的连接形式很多,目前还没有专门的测量装置。因此,要实现螺栓组装配预紧力的测试,只需自行开发螺栓组装配预紧力的测试方法和装置。然而,开发一种专用的测试装置,其成本会很高,而且适用性较窄。

    为了更快、更好、更经济地达到螺栓装配预紧力的测试目的,我们决定充分利用现有的测试设备,开展利用普通轴力计测试螺栓装配预紧力的可行性研究。为了实现螺栓组件预紧力的测试,需要测试每个螺栓组件预紧力的总和。对于发动机喷油器压盘螺栓组件预紧力的测试,通过测量喷油器压盘周围螺栓组件的预紧力之和,可以得到喷油器的轴向预紧力。要测量发动机喷油器压盘的预紧力,只需将喷油器压盘四周的固定螺栓组同时连接到轴向测力计上,然后按照规定的装配扭矩逐个拧紧压盘四周的紧固螺栓组,即可测量出喷油器压盘的装配预紧力。因为普通的轴力计主要是为测量单个螺栓而设计的,所以轴力计的内孔较小。例如,现有的轴向力计的内孔直径小于法兰式喷油器压盘对角螺栓的中心距,因此无法将喷油器压盘的多个螺栓组同时直接放入轴向力计孔中,也无法按照传统方法测量喷油器压盘螺栓组的预紧力。如何在现有的孔径较小的轴力计上测量螺栓组的预紧力成为一个研究课题。2.测试方案的确定。针对现有的轴力计,作者设计了几种测试方案。经过多次改进,借助试验夹具的创新设计,逐渐形成了螺栓组预紧力的试验方案。由于普通轴力计的内孔较小,无法穿过螺栓组的所有螺栓。因此,为了在普通轴力计上测试螺栓组的装配预紧力,需要改变螺栓组的螺栓连接方式。要实现螺栓组预紧力在轴力计上的连接,只有尽量实现螺栓组螺栓在轴力计内孔外的装配连接。为此,通过前移配对螺母的位置,改进前压板和配对垫圈的形式,可以避免轴力计内孔小、螺栓组无法装配的限制,从而解决普通轴力计因内孔小而无法穿过多个螺栓组的问题。然后设计特殊的后压块与配对螺母连接,最终成型。

    兰式压板固定的喷油器预紧力进行测量的方案(见图3)。

    图3 普通轴力计上螺栓组装配预紧力测量装置

    喷油器装配预紧力的测量

    喷油器法兰式压板直接套在喷油器上(见图1),压板通过喷油器上的法兰式凸台来压紧喷油器,而法兰式压板则通过周边的紧固螺栓组与缸盖进行装配联接,因此,压板周边螺栓组预紧力的总和就是喷油器最终获得的轴向预紧力。由于喷油器是通过压板压紧固定在发动机缸盖上,而喷油器压板是通过压板螺栓组进行预紧,因此,只要测量出喷油器压板周边螺栓组的预紧力,就可得出喷油器的装配预紧力。         利用我们创新发明的螺栓组测量装置原理,我们根据被测喷油器结构特点和压板、紧固螺栓的尺寸,结合我们的轴力计联接尺寸,设计了专用的试验夹具、专用的陪试垫板、陪试螺母,按照图4所示的方案进行联接。测量方案模拟喷油器、压板(陪试垫片)和固定螺栓(试验螺栓)在发动机上的联接方式,并配备特殊设计的陪试螺母、后压块和前压板。

    测量时采用的喷油器、压板及其固定螺栓均是发动机上使用的原件,按图4所示结构进行联接,由压板紧固螺栓拧紧产生的预紧力通过喷油器压板传递在试验压盘上,再通过压盘传递到轴力计上,压板通过周边的固定螺栓与陪试螺母联接,陪试螺母再通过一组内六角螺钉与另一端后压块联接,通过后压块将陪试螺母承受的力传递给轴力计。这样再拧紧喷油器压板周边的固定螺栓就可实现对喷油器压板预紧力的测量。

    图4 喷油器压板螺栓组预紧力测量装置

    螺栓组预紧力测量装置的推广价值

    本文介绍的创新设计的螺栓组预紧力测量装置实现了发动机喷油器压板螺栓组预紧力的测量,并已成功在两款发动机的研发中得到了很好地应用,满足了发动机的研发和装配评审的需求,也为喷油器压板螺栓确定了合适的装配工艺,保证了喷油器的装配质量。同时,在2007年,该装置已申报了国家实用发明专利。

    螺纹紧固件装配联接结构应用广泛,螺纹紧固件多数采用成组方式联接,而许多产品装配联接对螺栓组的预紧力都有严格的要求,需要对螺栓组装配后的预紧力进行测量。这一创新设计装置也为类似螺栓组预紧力的测量提供了可能,具有广泛地推广应用价值。

     
    (文/标准件之家)
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