汽车发动机螺纹、螺栓、螺帽知识与拆装(下)

◆文/北京　胡建军

(接上期)

举一个非常典型的例子，一次在一个维修厂维修人员遇到一辆奔驰500、KE系列的发动机大修，揭缸盖时缸盖螺栓滑扣，缸盖螺栓将发动机缸体相对应的螺纹承孔绞碎带出，80%的螺栓都是如此。在处理这件事时，维修人员第一次是采取将发动机缸体承孔螺纹加大，配置以加大缸盖螺栓直径的做法，结果螺栓的预紧力远没达到要求螺栓就全部断了，虽然断的部位稍有不同。第二次换上了相应螺纹直径的柴油机缸盖螺栓，结果又将缸体承孔螺纹绞碎带出。这样反复几次，最后发动机相应的螺纹承孔已经和发动冷却水套几乎贯通，如果不采取适当的措施缸体一定报废，这是客户所不能接受的。这时维修人员采取了在缸体承孔上镶丝套的做法，这种丝套内外都加工有螺纹，外螺纹与加大直径的缸体螺纹承孔以过盈配合相连接(并涂以金属粘接剂)，内螺纹可以选用原来的标准直径的螺栓。

这是唯一可行的方法，但是这种丝套是特殊合金金属加工的，是采购的商品成品，而这种市面上供应的丝套大多数是为易损的缸盖上的火花塞预备的。因此，丝套的长度只有25mm,而缸盖螺栓要求旋合长度为40mm以上，旋合长度就是说螺栓拧入缸体的长度要达到40mm以上，才能到要求的预紧力矩。结果尽管换了新的螺栓，预紧力矩2/3时，螺栓将丝套一并带出。这就是不了解螺纹、螺栓知识的结果。笔者后来看到了这个问题，用合金钢加工了一个长度42mm的丝套，精度为中度，并经过调质处理，同时换上新的缸盖螺栓装和后达到标准预紧力力矩。

还有一个我们经常遇到的例子，以往维修人员为了防止发动机油底与机体之间结合部位漏油，无论有密封垫还是没有密封垫，装配油底壳时，所有的螺栓总是尽量紧得不能再紧为止，结果越紧越是漏油，这是典型的不按规范预紧螺栓的结果。超大的预紧力使得油底壳和发动机缸体下部产生局部变形，在热机时尤其严重。

2.螺栓、螺母和垫圈

螺栓、螺母和垫圈都设定有不同的性能等级，具体依照哪一个性能等级是根据设计要求定的。所以，发动机上所有螺栓、螺母、垫圈都是依据特定的位置(这些位置都经过计算，预紧力矩也根据功能计算得来)设计要求加工或选择的。

(1)典型螺纹、螺栓、螺母、垫圈的组成及特点

典型螺纹、螺栓、螺母、垫圈各部位的名称及特点如下。

螺纹：螺纹牙顶角度是根据不同要求设计成不同角度、形状，如三角形、梯形、圆角形以及双线螺纹等(图1)。

螺栓：过度R角是为了增强螺栓头部与螺杆的强度(图2)。千万不要小看这个R角，我们在很多零部件形位变化结合部都会加工一个R角作为过渡，这个R角起到增加局部强度和应力扩散的重要作用，如有些外加工点不规范，再磨削曲轴时磨完轴颈忘了修正轴与曲拐之间的R角，结果造成曲轴断裂。有些普通螺栓，在一时找不到合适的替代时，不得已选择同样但长度稍长的截短代用，但往往忽略在截断处的断面边缘磨削一个450倒角(螺纹入角)。这个倒角很重要，不仅是螺栓便于旋入，而且可以减弱甚至去除剪削力。螺栓的公称直径是指螺杆的最大直径，一般用大写字母M表示，螺栓的有效直径用dt表示，是指螺杆的螺纹处最小直径，也就是螺纹根部的直径，主要用于计算螺栓的抗拉强度的大小。螺孔的直径用do或用dw表示。螺栓的长度是指螺杆杆长度，不包括螺杆头部在内，一般来讲螺栓长度按旋紧件的旋合长度+垫片厚度+5mm余量。

螺母：螺帽非接触面必须加工有倒角，接触面按需要可加工也可不加工倒角(图3)。D代表内螺纹公称直径，dw代表牙底直径，M螺帽的厚度，S螺帽的公称尺寸，E螺帽的对角尺寸。汽车上常用多种形式的螺母(图4)，每种形式有特定的用途。

垫圈：它是介于连接件表面和螺栓、螺母之间的一个部件，能使工件在孔口处的受力更均匀一致，不致应力集中，根据功用不同常用垫圈有以下几种：①平垫圈；②高强度垫圈，由高强度锰钢制成这种垫圈的一面内圈有倒角，使用时有倒角的一面朝向螺母或螺栓头部没有倒角的一面紧贴工件；③弹性垫圈，主要用于螺栓和螺母的防松；④斜垫片，垫片表面有一定斜度与工作面相配合。汽车上用的垫圈如图5所示。

(2)螺栓、螺帽损坏原因

螺栓、螺帽出现折断、滑扣(撸扣)、裂纹、变形、变软、锈蚀(氧化)的原因如下。

①折断：螺栓在拧紧时因承受拉力引起延长，导致螺栓或螺母支撑面承受很大的载荷(产生相应的应力)，而且产生的压缩载荷会产生载荷集中效应，或因螺栓伸长(应变)超过了弹性极限，于是因塑性屈服产生永久性变形使预紧力和夹紧力失效，加之循环变载荷作用在螺栓脉动载荷的反复作用下，应力水平过高、幅值也过高就会长生疲劳断裂。螺栓折断一是由于扭力过大，超过其所承受的负载；二是其由于螺栓预紧力不够，加之承受轴向力的同时还要承受组合件的横向剪切力；三是由于环境因素如频繁变化的高温、应力、氧化、硫化、碱化、腐蚀等所致；四是材料和加工工艺不符；五是拆装(强拆强拧)不当。比如经常遇到的缸盖螺栓、排气歧管螺栓、排气管螺栓等。还有一些复杂的物理机制会导致螺栓断裂在此不去一一介绍。笔者见过一个维修人员用普通螺栓代替连杆螺栓，无知的行为造成极其严重的后果。

②滑扣(撸扣)：扭力过大、螺栓与螺纹孔的螺纹不匹配，比如同样螺距但螺纹的形状不一样；同样螺纹但螺距不一样(1mm和1.25mm很难用肉眼区分，必须用螺纹规比对)；金属与非金属组合，比如铝合金缸体如扭力过大、进水腐蚀、氧化极易产生粘铰以及频繁的高温、应力急剧的变化等。

③裂纹：原材料或加工过程以及后期处理的缺陷；疲劳过度。

④变形、变软、锈蚀(氧化)：组合件位置错移迫使螺栓弯曲变形、不当外力冲击造成弯曲变形、伸长变形等；变软一般是由于疲劳过度或高温退火造成；锈蚀多是由于氧化、酸碱腐蚀等造成。

三、拆装工具

发动机维修工具可分为两部分：一部分是专用工具，另一部分就是螺栓、螺帽的拆装工具，它们有呆板手(开口扳手)、梅花扳手、棘轮扳手、套筒(电动)、活动扳手、钢丝钳、管钳、螺丝起子、扭力扳手、接杆、加长杆等。

(1)拆装注意事项

拆装应注意以下事项。

①注意工具的优先使用次序。在拆装螺钉时，应尽可能使用开口板手、梅花扳手或套筒(注意15kPa以上应使用梅花扳手，有规定的一定要使用带刻度显示的扭力板子)，尽可能少用活动扳手或钳子，以免“圆角”。

②螺纹大多数是右旋的，少数是左旋的(如：曲轴前传动盘紧固螺钉)。拆装时还要注意：对于重要部件的螺钉，必须严格遵守它们的力矩规定值；拆卸螺钉时，要按种类和次序摆放好，为分析故障和装复机器创造条件；拆放螺栓时应尽量轻拿轻放，以防意外损伤螺纹，同时培养我们文明操作习惯；拆取断头螺栓时，一定要使专用工具，尽量不要使用錾刀榔头敲击。

③关于生锈螺纹的拆卸技术。可以先紧一下再松；可以喷洒螺纹松动剂或机油；可以用喷灯均匀加热后再松。

④装配螺栓、螺帽、垫圈一定要将其表面反复清理干净，尤其螺纹表面，要用铜刷清除杂质，更要注意组件不通的螺纹盲孔内的清理，盲孔里面的金属杂质和液体是造成组件紧而不紧的重要原因。

⑤英制螺纹和公制螺纹，只有极少数规格是对应的，如5/8和16、9/16和14。

⑥工具和螺钉不要混用。同时，对螺栓做相应的检查和比对，将结果进行记录。

(2)螺栓、螺母的分级

螺栓的头部制有记号，用来辨认其强度级(图6)。通常英制螺栓，其头部制有径向射线来标明强度。径线数加2即为螺栓的强度。这种分级称为SAE级。米制螺栓在其头部标有数字，数字越大，螺栓的强度越大。螺母基本同样，但5级强度一般不标注。螺栓的强度等级一般有两位数组成，二位数中间以点来分隔，由这个数字可以确定：最小抗拉强度和最小抗压强度。

螺栓的强度是指成品螺栓的强度等级，螺母和垫圈的强度等级一般随螺栓而配套，通常我们用一个带小数点的一组数字表示，其中小数点左边的数字表示其抗拉强度的1%，小数点右边的数字表示屈服强度比，例如：10.9级螺栓抗拉强度就是10×100=1000N/mm²，屈服强度就是1000×0.9=900Nmm²。我们通常使用的螺栓等级有4.8、5.6、8.8、10.9、12.9等若干种，选择多大的螺栓需要通过力学计算来确定。

米制螺栓、螺帽拧紧力矩规范由于篇幅所限可查阅相关资料和《机械设计手册》。注意：同样直径的细牙螺栓要比粗牙螺栓的强度约提高10%。

(3)屈服力矩螺栓

还要格外引起注意的是：一些重要部位常常使用称为“屈服力矩螺栓”。屈服力矩螺栓是那些被紧固到预先设定的屈服或伸长点。当一个螺栓根据它的力矩规范被拧紧的时候，它是不会被拉伸到它的弹性极限的。当屈服力矩螺栓被制造者拧紧的时候，他们有一些微小的伸展，因此，他们比一般标准螺栓拧得紧。一旦被拉伸，它们将不会回到原始尺寸，因此，再次使用时它们就应该用和其他相同硬度的新螺栓代替。通常这些屈服力矩螺栓使用在主轴承和汽缸盖上。而且，通常汽车制造厂家建议在替换新螺栓时，其拧紧螺栓时使用力矩角度计，通过测量旋转的度数来测量加在螺栓上的力矩。也就是维修手册上常说的将某螺栓分几次，并每次旋转多少角度。汽车上常用的通用紧固件如图7所示。

四、螺栓螺母的防松方法

螺栓螺母的具体防松方法介绍如下。

(1)锁钢丝，这是一种在不太重要的场合经常使用的方法，通过螺栓头部预留的孔穿过一根相应粗细的钢丝，与其配合的工件或相邻的螺栓相互绞紧，达到防松的目的。

(2)弹簧垫圈，这种方法在2000年以前应用的很多，2000年以后逐渐淘汰，因为根据国外经验分析这种方法措施反而会加剧松动趋势，并破坏精度加工的零件表面。

(3)锁固胶(防松胶)，放松效果较好，适用于不经常拆卸的场合。

(4)对于8.8级以上的螺栓，如果其长度和公称直径比大于5，可省略其他防松措施。

(5)采用特殊锁紧垫圈，这种方法效果非常好，特别适合振动较大的场合。该垫圈是由两片带不同锯齿形的垫片组成。

(6)采用自锁螺母，其工作温度范围较宽，一般为-500～3000℃。

以上只是有选择地简单介绍了一些汽车发动机上常用的螺栓、螺帽和垫圈知识，目的是让维修人员了解与螺栓相关知识，螺栓虽小作用非同寻常，应当引起我们高度关注。成也细节，败也细节，细节之处方显我们的真功夫。以上相关知识在《机械设计手册》也有介绍，感兴趣的读者可以查阅。(全文完)