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1. 螺紋緊固件連接及火花塞螺紋連接概述 

 

螺紋連接因其連接可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝及拆卸方便、 可重復(fù)性等優(yōu)勢,已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的連接方式 之一。 螺紋緊固件之所以可以實(shí)現(xiàn)連接,其實(shí)質(zhì)是依靠螺 紋的斜面結(jié)構(gòu)。 在預(yù)緊力作用下產(chǎn)生周向的分力使連接 具有松脫的趨勢,在連接副和支承面的摩擦作用下,實(shí)現(xiàn) 自鎖功能,進(jìn)而避免松脫。 但是,在實(shí)際工作時(shí),連接副往 往會(huì)受到外界載荷的擾動(dòng),當(dāng)原先螺紋連接的自鎖性的平 衡被破壞時(shí),便會(huì)出現(xiàn)輕微的滑動(dòng)。 隨著外界振動(dòng)、溫度 載荷的重復(fù)性擾動(dòng),這種滑動(dòng)便會(huì)越來越大,最終達(dá)到松 脫的程度。 螺紋連接全部或部分喪失軸向預(yù)緊力,這便稱 為螺紋松脫。 松脫是螺紋緊固件的主要失效形式之一。 倪晉挺[1]指出,螺栓的軸向預(yù)緊力是影響螺紋連接可靠性 的主要因素。 通常,只能通過控制擰緊時(shí)轉(zhuǎn)角的大小或者 擰緊扭矩的大小來實(shí)現(xiàn)控制預(yù)緊力。 然而,除了擰緊時(shí)的 轉(zhuǎn)角大小或者擰緊扭矩,連接副的摩擦性能對預(yù)緊力也有 非常關(guān)鍵的影響,而且螺紋副之間的摩擦系數(shù)(包括螺紋 之間的摩擦系數(shù)以及端面摩擦系數(shù))對安裝扭矩的大小起 到關(guān)鍵的作用。 李維榮[2]也指出,螺紋緊固件連接的可靠性在很大程度上取決于“扭矩-拉力關(guān)系”中極為關(guān)鍵的拉 力(通常稱為預(yù)緊力)測量而不是取決于扭矩測量。 

 

對于火花塞(結(jié)構(gòu)見圖1)與發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的連接,也屬 于螺紋緊固件連接的范疇。 隨著乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓 缸內(nèi)直噴(TGDI)等新技術(shù)的不斷出現(xiàn),發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率、 升扭矩等性能不斷提高,發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)、熱負(fù) 荷越來越嚴(yán)重。 火花塞作為點(diǎn)火系統(tǒng)的重要零部件,也在 不斷地面臨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)。 其中,火花塞安裝扭矩衰減 是主機(jī)廠經(jīng)常遇到的一個(gè)問題。

 

通常,螺紋副連接會(huì)存在三種連接狀態(tài),即軟連接、硬 連接、中性連接。 所謂軟連接,是指螺紋副連接件自身材 質(zhì)較軟或連接件中間夾有橡膠件等彈性材料,擰緊時(shí),在 螺紋副達(dá)到貼合點(diǎn)后需要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)720°以上才能達(dá)到目 標(biāo)扭矩,擰緊后扭矩存在衰減。 所謂硬連接,是指連接件 硬度大、剛性強(qiáng)、結(jié)合面光滑且貼合度高,擰緊時(shí),螺紋副 達(dá)到貼合點(diǎn)后需要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)30°以下就能達(dá)到目標(biāo)扭矩, 擰緊后,扭矩有可能呈現(xiàn)反沖(過擰緊)現(xiàn)象。 中性連接是 指介于軟連接和硬連接之間的連接方式,其擰緊后一般不 會(huì)出現(xiàn)扭矩衰減和反沖現(xiàn)象。 火花塞與缸蓋的連接屬于中性連接,一般不存在扭矩衰減問題。 但現(xiàn)實(shí)中,由于火 花塞工作在振動(dòng)、高溫的環(huán)境中,工作一段時(shí)間后,火花塞 安裝扭矩衰減問題普遍存在。 扭矩衰減不能完全避免,只 能通過對各種影響因素的控制和優(yōu)化來改善衰減狀況,確 保扭矩衰減后的預(yù)緊力仍能保持火花塞不松動(dòng)。

對于火花塞的扭矩,也存在兩個(gè)概念,即動(dòng)態(tài)扭矩以 及靜態(tài)扭矩。 所謂動(dòng)態(tài)扭矩,是指緊固件在被緊固過程中 測量得到的峰值。 一般來說,是由動(dòng)力工具施加得到動(dòng)態(tài) 扭矩,動(dòng)態(tài)扭矩是在擰緊過程中測量的。 動(dòng)態(tài)扭矩產(chǎn)生的 對于螺栓的軸向預(yù)緊力滿足工程上對預(yù)緊力的要求。 火 花塞的動(dòng)態(tài)扭矩就是安裝扭矩。 所謂靜態(tài)扭矩,是指一個(gè) 緊固件被緊固好之后,將其在擰緊方向上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的瞬間 所需要的扭矩。 靜態(tài)扭矩是在緊固之后測量的,可以用來 檢測緊固的穩(wěn)定性,又稱為檢測扭矩。 火花塞的靜態(tài)扭矩 就是復(fù)擰扭矩。 在靜態(tài)扭矩測量過程中,如出現(xiàn)靜態(tài)扭矩 值小于動(dòng)態(tài)扭矩,則認(rèn)為扭矩存在衰減。 但是,需要注意, 衰減并不一定說明連接失效。 火花塞行業(yè),無論是ISO相 關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),還是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及火花塞制造商 或發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠,都沒有火花塞擰緊扭矩衰減方面的相關(guān) 規(guī)定。 在靜載條件下,螺栓只承受軸向載荷,由于螺紋升 角的作用,擰緊螺母和擰松螺母所需的扭矩不同,一般松 動(dòng)扭矩為擰緊扭矩的80%左右[3],所以,在評判火花塞扭 矩衰減時(shí),也不可用所謂的拆卸扭矩進(jìn)行扭矩衰減的評判。

 

在火花塞連接副中,通常使用墊圈,這種火花塞通常 稱為平座火花塞[4]。 有些發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠家,例如北美的通 用、克萊斯勒、福特等汽車公司,火花塞常會(huì)設(shè)計(jì)為錐座火 花塞[4],即火花塞無墊圈。 平座火花塞和錐座火花塞結(jié)構(gòu) 示意圖如圖2所示。 

 

目前火花塞使用的墊圈主要有層疊式彈性墊圈、平墊 圈(見圖3)。 層疊式彈性墊圈的材質(zhì)通常為鋼制,平墊圈 的材質(zhì)有鋼類、鋁合金類、紫銅類。 陳件明、陳小雙[5]指出, 當(dāng)火花塞的外墊圈是一種層疊式三層結(jié)構(gòu)時(shí),它在安裝過 程中有一個(gè)變形的過程。 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋裝配生產(chǎn)線的節(jié)拍很 快,安裝工具的旋轉(zhuǎn)速度也很快,當(dāng)安裝扭矩“沖”到設(shè)定值 時(shí),扳手自動(dòng)停止旋轉(zhuǎn),但此時(shí)外墊圈的變形尚未完成。 用 電動(dòng)定扭矩扳手以28N·m擰緊,安裝后用表盤式扭矩扳 手復(fù)擰,實(shí)測復(fù)擰扭矩值只有13~24N·m,顯然火花塞安 裝扭矩發(fā)生了衰減。

當(dāng)火花塞安裝扭矩衰減后,可能會(huì)造成火花塞與缸蓋 螺紋連接副軸向預(yù)緊力急劇變小,嚴(yán)重時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致火花 塞外墊圈的密封功能部分失效或全部失效。 火花塞點(diǎn)火端 表面在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)吸收的熱量部分需要通過火花塞外 墊圈傳導(dǎo)至缸蓋進(jìn)行散熱。 當(dāng)外墊圈密封功能失效時(shí),可 能會(huì)導(dǎo)致火花塞點(diǎn)火端表面溫度急劇升高,進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng) 機(jī)發(fā)生早燃甚至超級爆震現(xiàn)象。 發(fā)動(dòng)機(jī)超級爆震通常會(huì)引 發(fā)惡劣的早燃爆震循環(huán),嚴(yán)重情況下導(dǎo)致火花塞絕緣體裙 部[6]破碎、斷裂以及側(cè)電極、中心電極燒熔等異常現(xiàn)象,甚 至也會(huì)出現(xiàn)氣門斷裂、活塞穿孔、燒熔等現(xiàn)象,見圖4。

 

綜上所述,有必要展開火花塞安裝扭矩衰減的相關(guān)研究。

2. 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析 

 

準(zhǔn)備壓裝外墊圈的M14鍍鎳火花塞(殼體表面電鍍 鎳)若干只,準(zhǔn)備若干塊火花塞安裝底座(見圖5)。使用 火花塞行業(yè)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]推薦的力矩28N·m(動(dòng)態(tài)扭 矩)將火花塞手動(dòng)安裝在鋁座上,經(jīng)過如表1試驗(yàn)方案處 理后,測量并記錄復(fù)擰力矩(靜態(tài)力矩)。試驗(yàn)過程中,使 用MF-1200C-M型馬沸加熱爐(見圖6)加熱整個(gè)安裝了 火花塞的鋁座至200℃,保溫1h后隨爐冷卻至室溫。使 用ACT2000-R0020S型振動(dòng)儀(見圖7)按照ISO11565 2024[7]4.4.4章節(jié)的方法進(jìn)行縱向振動(dòng)1h。

所有試驗(yàn)結(jié)束后,統(tǒng)計(jì)靜態(tài)力矩結(jié)果如表2所示。 通過A組實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)常溫靜置后,火花塞安裝力矩衰減 值較小(≤3N·m),平均靜態(tài)力矩為26.38N·m,安裝 力矩平均僅衰減了1.62N·m;通過B組實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn) 200℃保溫1h,并冷卻至室溫后,安裝力矩衰減較明顯, 衰減最大值達(dá)到15N·m;通過C組實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)按照ISO 11565-2024[7]振動(dòng)試驗(yàn)方法,火花塞軸向振動(dòng)1h后,火 花塞力矩衰減值較小(≤2N·m);通過A、B、C、D四組 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比,可以確認(rèn),高溫是影響火花塞安裝力矩衰 減的主要因素,常溫靜置以及ISO11565-2024[7]4.4.4 章節(jié)的振動(dòng)試驗(yàn)條件,對火花塞安裝力矩衰減影響較小。

 

準(zhǔn)備壓裝外墊圈的M14鍍鋅火花塞(殼體表面電鍍 鋅)若干只,動(dòng)態(tài)力矩28N·m手動(dòng)安裝后,將整個(gè)安裝 了火花塞的鋁座加熱至200℃,保溫1h后隨爐冷卻至 室溫。試驗(yàn)結(jié)束后,測量并記錄靜態(tài)力矩。試驗(yàn)結(jié)果如 表3所示。M14鍍鋅火花塞200℃保溫1h后,安裝力 矩?zé)o衰減現(xiàn)象,靜態(tài)力矩較動(dòng)態(tài)力矩反而增加。這可 能與鋅鍍層的特性有關(guān)。鋅的熔點(diǎn)為419.53℃,在 200℃的加熱條件,鋅鍍層可能發(fā)生膨脹,導(dǎo)致火花塞 與缸蓋螺紋連接副軸向預(yù)緊力增加,從而導(dǎo)致靜態(tài)力 矩增加。

準(zhǔn)備壓裝外墊圈的M12鍍鋅火花塞(殼體表面電鍍 鋅)若干只,使用火花塞行業(yè)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]推薦的力矩 25N·m(動(dòng)態(tài)扭矩)將火花塞手動(dòng)安裝在鋁座上。將整 個(gè)安裝了火花塞的鋁座加熱至200℃,保溫1h后隨爐 冷卻至室溫。試驗(yàn)結(jié)束后,測量并記錄靜態(tài)力矩。試驗(yàn) 結(jié)果如表4所示,同樣發(fā)現(xiàn),M12鍍鋅火花塞200℃保溫 1h后,安裝力矩?zé)o衰減現(xiàn)象,靜態(tài)力矩較動(dòng)態(tài)力矩反而增加。

為了研究火花塞墊圈結(jié)構(gòu)及墊圈材料對火花塞安裝力 矩衰減的影響,準(zhǔn)備了壓裝不同外墊圈類型的M12鍍鎳火花 塞若干只,如圖8所示。具體試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表5所 示,結(jié)果發(fā)現(xiàn),各種形式的墊圈火花塞,在經(jīng)過200℃保溫1h 處理后,安裝力矩衰減較為明顯。其中,5XXX變形鋁合金平 墊圈火花塞安裝力矩衰減值達(dá)到19.78N·m。

為了進(jìn)一步研究安裝工藝對火花塞安裝力矩衰減的 影響,準(zhǔn)備三種類型的M14鍍鎳火花塞。A組火花塞為 新火花塞,使用28N·m動(dòng)態(tài)力矩安裝到專用鋁座上;B 組火花塞使用40N·m動(dòng)態(tài)力矩預(yù)安裝后拆卸,再次使 用28N·m動(dòng)態(tài)力矩安裝到專用鋁座上;C組火花塞使 用60N·m動(dòng)態(tài)力矩預(yù)安裝后拆卸,再次使用28N·m 動(dòng)態(tài)力矩安裝到專用鋁座上。詳細(xì)試驗(yàn)方案及結(jié)果如表 6所示,結(jié)果發(fā)現(xiàn),預(yù)安裝對改善火花塞力矩衰減較為 明顯。 

 

3. 試驗(yàn)結(jié)論及建議 

 

3.1 試驗(yàn)結(jié)論 

通過以上試驗(yàn)結(jié)果分析對比,得出如下結(jié)論: 

(1)高溫因素是影響火花塞安裝力矩衰減的主要因 素,ISO11565-2024標(biāo)準(zhǔn)中[7]的振動(dòng)試驗(yàn)條件,對火花塞 安裝力矩衰減影響不明顯; 

(2)火花塞殼體表面鍍鋅火花塞抗安裝力矩衰減性能 優(yōu)良; 

(3)外墊圈結(jié)構(gòu)、材料對火花塞安裝力矩衰減影響 較大; 

(4)安裝工藝對火花塞安裝力矩衰減有較大的影響。

3.2 建議 

倪晉挺[1]指出,螺栓端面和螺紋部分的潤滑狀態(tài)改 善,可以顯著地降低螺栓的摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)。摩擦系 數(shù)的減小,直接關(guān)系到連接副的緊固軸力,在裝配扭矩不 變的情況,得到的緊固軸力就會(huì)越大。根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié) 果以及行業(yè)經(jīng)驗(yàn),提出如下建議,以保障火花塞在發(fā)動(dòng)機(jī) 上工作后,仍能保持較高的靜態(tài)力矩。 

(1)火花塞殼體螺紋和密封面處涂抹潤滑油; 

(2)火花塞殼體鍍層選用鍍鋅; (3)確保外墊圈在火花塞外密封面處無物理干涉,避 免影響火花塞安裝后的預(yù)緊力; (4)改變擰緊策略:兩步擰緊或多步擰緊,在擰緊過程 中停頓一下可釋放彈性應(yīng)變,降低衰減; (5)降低擰緊速度; (6)安裝力矩達(dá)到峰值力矩時(shí),保持峰值力矩1~2s; (7)適當(dāng)增大安裝力矩; (8)火花塞安裝后,在后續(xù)裝配過程中,增加一道火花塞拆卸復(fù)擰緊工序。

 

 

參考文獻(xiàn):

[1]倪晉挺.螺紋緊固件摩擦系數(shù)的影響因素試驗(yàn)研究 [J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào),2016,30(3):4. 

[2]李維榮.螺紋緊固件防松技術(shù)和試驗(yàn)方法研究[D].合 肥工業(yè)大學(xué),2005. [3]GB/T16823.1-1997,螺紋緊固件緊固通則[S]. 

[4]ISO28741-2023,Roadvehicles—Spark-plugsand theircylinderheadhousings—Basiccharacteristics anddimensions[S]. 

[5]陳件明,陳小雙.M12長螺紋火花塞安裝扭矩控制方 法[J].中國機(jī)械,2016,000(006)111-112. 

[6]QC/T431-2013,火花塞瓷絕緣體技術(shù)條件[S]. 

[7]ISO11565-2024,Roadvehicles—Spark-plugs—Test methodsandrequirements[S].