发动机油道堵塞静态扭矩提升的调查研究

王露涛，甘伟武，梁 军

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 前言

某发动机罩盖使用油道堵塞（简称油堵）对其机加工油道工艺孔进行密封，油堵螺纹规格为M12，油堵装配前预先压装垫片。密封带是油堵垫片与罩盖油堵安装面贴合形成，稳定的密封所需要的力是来自于油堵螺纹连接中的夹紧力，然而在实际大批量生产过程中，目前还没有实际可行的方法准确测量螺栓夹紧力，因此只能通过控制装配扭矩间接控制螺栓夹紧力[1]。目前油堵装配时使用的拧紧控制策略为扭矩法，即拧紧停止条件：扭矩≥目标扭矩[2]，油堵装配使用拧紧设备自动拧紧工艺。油堵装配的静态扭矩经过一段时间后会出现不同程度的衰减，当衰减到一定程度会引起油堵密封不良，产生泄漏。因此，对油堵装配工艺及拧紧系统中各参数进行研究，试图通过实验，找出油堵拧紧系统中各拧紧参数不同水平的最优组合，从而获得最佳的静态扭矩，其中可以通过24h 后静态扭矩来较好的衡量。因此，24h 后静态扭矩作为本次研究的主要指标。该油堵装配工艺如图1所示。

图1 油堵装配工艺

拧紧系统中主要的参数如下：罩盖油堵孔安装面粗糙度Ra1.4，油堵垫片为平面，轮廓度要求0.15。拧紧力矩：34N·m（标准要求35±5N.m），拧紧速度15r/min。拧紧参数可实时监控。

1 因子分析试验

1.1 因子分析试验方案

根据螺栓类拧紧系统的拧紧原理，该油堵拧紧系统影响24h静态扭矩的主要参数为拧紧力矩、拧紧速度、垫片角度，垫片角度示意图如图2所示。

图2 油堵垫片角度示意图

每个因子（参数）对24h 静态扭矩的影响具体如何还不清楚，故安排因子分析试验进行研究；另外，涂螺纹密封胶可能对24h静态扭矩有影响，故增加一组油堵涂胶试验。试验方案如表1所示。

表1 分析因子试验方案

1.2 因子分析试验结果及分析

收集因子分析试验的24h 后静态扭矩的数据，用箱线图进行分析，如图3 所示。从图3 中可以看出，因子垫片角度2°，24h 后静态扭矩好于对照组（正常状态），说明垫片角度在一定范围内增大可以提升静态扭矩；因子拧紧力矩37 N·m，24h后静态扭矩数据与对照组数据差异不明显，说明对静态扭矩的提升无显著作用；因子拧紧速度35r/min，24h 后静态扭矩衰减明显，说明拧紧速度加快不利于24h 静态扭矩的提升；因子胶LT648，24h 后静态扭矩数据好于对照组，说明可以考虑增加使用螺纹密封胶LT648 来提升扭矩；因子胶HT7243，24h后静态扭矩数据与对照组数据差异不明显，说明对静态扭矩的提升无显著作用。

图3 因子分析试验24h 后静态扭矩的箱线图

2 DOE试验

2.1 DOE试验方案

因子分析试验的结果中，因子拧紧力矩37N·m 的数据比较异常，按螺栓类拧紧系统的经验数据，拧紧扭矩的增大会有利于静态扭矩的提升。分析认为，因子拧紧力矩试验时扭矩的增加量可能还不够，使静态扭矩结果变化不明显，也可能拧紧力矩与其他因子存在交互作用。另外，拧紧系统中，各因子间也可能存在交互作用。为了研究各因子在什么水平（因子的取值）时可以获得最佳的24h后静态扭矩，于是，对拧紧系统中各因子进行一轮DOE试验[3-4]。DOE试验共考察4 个因子，分别为垫片角度、安装面粗糙度、拧紧力矩、拧紧速度，故设计为4 因子的全因子并安排4 个中心点的20（24+4）次的全因子试验。试验方案如表2所示。

表2 DOE 试验方案

2.2 DOE试验结果及分析

根据DOE 试验的结果数据，建立拟合模型进行分析，模型中只包含主效应和二阶交互作用项。分析得出，模型中效应显著，如图4 所示，从图中可以看出，因子油堵安装面粗糙度显著，油堵垫片角度与拧紧速度、油堵垫片角度与拧紧扭矩、拧紧速度与拧紧扭矩三项交互作用显著。

图4 因子正态效应图

从图5可以看出因子安装面粗糙度对24h后静态扭矩的影响是显著的。其他几个因子是不显著的。从图6 可以看出油堵垫片角度与拧紧速度、油堵垫片角度与拧紧扭矩、拧紧速度与拧紧扭矩三项交互作用对于响应变量24h 后静态扭矩的影响确实是显著的（两条线非常不平行），而其他交互作用对于响应变量24h后静态扭矩的影响是不显著的。

图5 各因子的主效应图

图6 各因子间的交互效应图

生成响应变量曲面图如图7所示，为使响应变量24h后静态扭矩取值更大，在因子油堵垫片角度取小角度、因子拧紧扭矩取低扭矩值可以获得，或在因子油堵垫片角度取大角度、因子拧紧扭矩取高扭矩值时可以获得。但具体各因子在什么水平时可以获得最优解还不明确。于是，对数据及模型进行响应优化分析。经过分析，响应变量得到最大值计算结果如图8所示。结果显示，当油堵垫片角度取5°、油堵安装面粗糙度取Ra0.8、拧紧速度为20r/min、拧紧扭矩为38N·m 时，可以使24h 静态扭矩获得最大值。根据此模型，在新设计点处对24h静态扭矩进行预测，均值的95%置信区间为（29.706 2,31.409 5），单值的95%预测区间为（29.070 3,32.045 5）。预测值较对照组数据提高了。

图7 响应变量曲面图

图8 响应变量优化器输出结果图

3 扩大验证试验

根据因子分析试验和DOE 试验的结果，为了分析油堵拧紧系统中因子水平的最优组合是否可以稳定提升24h 后静态扭矩，进行扩大验证试验[4]。试验方案为：油堵垫片角度取5°、油堵安装面粗糙度取Ra0.8、拧紧速度为20r/min、拧紧扭矩为38N·m、胶使用LT648 胶，连续生产，取大于125个样本。试验结果如图9所示。

图9 扩大试验结果的过程能力图

从图中可以看出，2 4 h 静态扭矩已提升至均值为37.36N·m，过程能力CPK=1.0。较对照组（正常状态均值为26N·m）提升效果显著。

4 结论

1）因子安装面粗糙度的主效应对响应变量24h 后静态扭矩的影响是显著的，在工艺要求范围内粗糙度越低，静态扭矩衰减越小。

2）因子油堵垫片角度、拧紧速度、拧紧力矩的主效应对响应变量24h后静态扭矩的影响不显著，但油堵垫片角度与拧紧速度、油堵垫片角度与拧紧扭矩、拧紧速度与拧紧扭矩三项交互作用对于响应变量24h 后静态扭矩的影响是显著的。

3）螺纹密封胶的使用，可以减小24h后静态扭矩的衰减。

4）通过DOE 实验，可以找出油堵拧紧系统中因子各水平的最优组合，且该最优组合可以稳定提升24h后静态扭矩。