几天前我和一个司机吵了起来。因为他说:“你们修理工是打螺丝的。很简单。因为他说:“在勺子上装勺子,狗就能做好。”
当时把我气坏了,和他大吵了一架,狠狠地教育了他一顿。
事后想想,应该有很多人有这样的误解,觉得修车打螺丝是一个非常容易的事,拿着电动扳手“突突突”地拆下螺丝,拆下损坏的零部件,装上新零件,再“突突突”的打上螺丝,就完活了,这钱赚得太轻松。
其实修车哪有那么容易,我们不说判断故障有多难,在车下摸爬滚打有多苦,单单就说这个很多人眼中非常简单的“打螺丝”,就有非常大的学问,不是谁都能干的,没有三五年的维修经验,螺丝是打不好的。
就以我自己为例,刚入行时,不知道打断了多少螺丝,弄坏了多少螺孔,给师傅找了多少麻烦;现在我也是一个“资深修理工”了,螺丝瞄一眼,就知道螺丝的直径是多少、螺距多大、强度等级是什么、用什么样的工具来紧固,紧固力矩也能猜个差不多,即使没有扭力扳手,手上紧固的力道也和标准扭矩差不了多少。这都是多年积累下来的经验,是书本上没有告诉你的。
下面老侯就以自己掌握的理论知识和经验积累,来给大家普及一下“打螺丝”的相关知识。
首先给大家普及一下螺栓的相关知识。螺栓是机械行业中应用最多的零部件,是非常重要的机械零件,螺栓连接是最常用的机械零件连接方式。大家不要小看这个小小的螺丝钉,它有着非常高的科技含量,在过去、现在以及将来相当长的一段时间内,螺栓都是制约中国机械工业发展的一个重要因素。在某种程度上,它还是外国“卡”我们脖子的一个工具呢!
高铁大家都知道吧,在它的上面有很多螺栓就是进口的。其实我们也想用自己的,但是试用之后却发现,螺栓总是自动松动或者断裂,有非常大的安全隐患。而使用进口的螺栓,就可以很好地紧固。还有某些特殊的紧固螺丝,也需要进口,国产暂时还无法替代。这是基础工业的差距,是需要时间验证和经验积累的,也需要有足够的试错成本和试错时间,不是短时间内大跃进就能发展起来的。
螺栓也是汽车上重要的零部件。一辆普通的家用车上面,有几千个各式各样的螺栓,用于连接各个零部件。这些螺栓的材料、直径、形状、牙型、强度、加工工艺等,都经过精密的设计与计算,并且有严格的紧固方法。如果螺栓的质量不合格,或者没有按照规定的方法进行紧固,很有可能出现松脱、断裂、密封不良等故障。
此外,汽车螺栓还要通过严苛的防锈、防腐蚀、疲劳冲击实验等,以保证在汽车整个生命周期中不至于因为锈蚀而发生断裂、强度下降等。比如底盘上的各种螺栓,常年接触水、灰尘的侵蚀,要有足够的防锈、防腐蚀能力;排气管上的各种螺栓,要能承受较高的温度而不变形、锈蚀、强度下降等;发动机上的各种螺栓,要承受较大的交变冲击载荷、温度变化等,要有足够的抗疲劳能力、合适的膨胀系数、可靠的自锁等。
根据螺纹的形状和数量,螺栓可以分成多种类型。根据螺纹的绕行方向可分为左旋螺纹和右旋螺纹两种,根据螺纹的数目可以分为单线螺纹、双线螺纹及三线螺纹,根据螺纹的形状分为三角螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹,根据螺距大小分为粗牙和细牙两大类。我们最常使用的螺栓,一般是单线、右旋、细牙、三角螺纹。它的优点是自锁性好,螺纹强度高。此外,根据螺栓的材质,可以分为钢质、铝质、铜质,其中的钢质螺栓是使用最广泛的,铜质螺栓一般用在电气系统上,铝质螺栓一般用在铝合金发动机上。
在螺栓的头部,通常都有4.8、8.8、10.9、12.9这样的数字,它们表示什么意思呢?
这些数字表示的是螺栓的强度等级,数字越高,螺栓的强度越大,一般把强度8.8级及以上、材质为低碳合金钢或中碳钢、并经热处理的螺栓称为高强度螺栓。标号前面的数字表示螺栓的抗拉强度,后面的数字表示螺栓的屈强比。比如强度等级8.8的螺栓,其抗拉强度为800MPa,屈强比值为0.8,屈服强度为800×0.8=640MPa;强度等级10.9的螺栓,其抗拉强度达1000MPa,屈强比值为0.9,屈服强度为1000×0.9=900MPa。其它以此类推。
接下来说说螺栓的紧固方法,是不是“在扳子上挂个火勺,狗都能干”。
大家看主机厂生产线上工人打螺丝,每一个工位都是用专用的扭力扳手;还有修理厂修车过程中,在紧固重要螺栓时,也使用扭力扳手。这种扳手设定了固定的力矩,超过规定的力矩就会卸载打滑,避免螺栓过度紧固。那么螺栓为什么要按扭矩扭紧呢,难道不是越紧越好吗?
首先我们来看一下螺栓的自锁原理。螺栓本质上是一个弹性元件,变形遵循胡克定律,它的倔强系数与螺栓的弹性有关。当螺栓紧固受力时,会发生轴向拉伸变形,产生弹力。这个力作用在内外螺纹之间,产生巨大的摩擦力,可以防止螺纹之间相互滑动,进而实现自锁。
从理论上来说,所有的联接螺栓都是可以实现自锁,紧固后的螺栓在静载荷作用下,是不会发生松脱现象的。但是,螺栓在交变载荷、连续冲击和振动载荷作用下,螺纹之间的摩擦力可能会瞬间消失,螺纹之间发生滑动,导致自锁失败。所以,为使螺栓联接可靠,必须采用防松动装置。一般采用增加摩擦力防松和机械方法防松两类,比如涂抹螺纹紧固胶、使用弹簧垫圈、双螺母、开口销等。此外还有更先进的自锁螺栓,比如高铁上使用的轮对螺栓等,号称“永不松动的螺栓”。
螺栓自锁的强度,取决于螺纹之间的压力;螺纹之间的压力,就取决于螺栓的拧紧力矩和螺栓的弹性模量。一般来说,螺栓连接的拧紧力矩越大,螺纹之间的压力越大,摩擦力越大,螺栓连接的自锁能力越好。但是如果螺栓的紧固力矩过大,反而让会导致螺栓连接自锁失败,这是为什么呢?
螺栓是一个弹性元件,在它的拉伸变形过程中,会发生弹性变形-塑性变形-断裂这三个阶段。其中弹性变形阶段是螺栓自锁的有效阶段,这个阶段螺纹之间的摩擦力随着扭紧力矩的增大而增大,扭紧力矩越大自锁效果越好。如果到了塑性变形阶段,螺栓的弹性模量就会迅速下降,螺纹之间的摩擦力减小,自锁就会失败。如果继续增加力矩,螺栓就会发生颈缩,然后断裂。螺栓从弹性变形转换到塑性变形的点称为“屈服点”,这个强度称为“屈服强度”,这是螺栓允许使用的最高强度。
所以,螺栓紧固时,一定不能超过规定的扭矩,并不是越紧越好。绝大多数的螺栓紧固力矩都是在弹性变形阶段,这样的螺栓松开后会恢复到原来的尺寸,可以继续使用。个别螺栓会紧固到螺栓的屈服点,这样的螺栓拆卸后已经发生永久变形,弹性大大下降,只允许使用一次,不允许重复使用,比如个别车型的气缸盖螺栓、曲轴螺栓、连杆螺栓等。
关于这一点,我们最常见的错误操作就是轮胎螺丝的紧固。我们在更换轮胎时,都怕轮胎螺丝松动发生事故,所以就用最大的力气紧固,或者使用风炮紧固。其实这样的操作,很容易损伤轮胎螺丝。如果轮胎螺丝紧固力矩过大,超过了轮胎螺丝的屈服点,导致轮胎螺丝发生永久性的塑性变形,螺栓的弹性大大减小,车轮反而紧不住了。还有就是,轮胎螺丝反复多次拆装会导致螺栓发生金属疲劳,弹性下降,车轮的紧固力也会减小。所以,轮胎螺丝我们一定要按规定的扭矩紧固,如果多次使用的螺栓,还是更换为好。
此外,如果一个零部件使用多个螺栓紧固时,这些螺栓的紧固顺序与紧固力矩都有严格的标准。一般来说,螺栓要从中间向两边对称分步扭紧,而不是一次性紧固。这样做的目的,是降低零部件内部的应力,防止零部件发生变形。如果不按标准紧固的话,零部件内部各个部位产生的内应力大小不一,个部位变形不均匀,零部件很容易发生密封不良、早期损坏等故障。
还有就是,我们在安装螺丝前,一定要确认螺栓与螺母的螺距、牙型、旋向等参数相符,如果螺纹有破损要修复或者更换;在安装时要彻底清理螺栓孔内的污泥、积碳、冷却液或机油等杂物和液体 ,否则螺纹可能无法紧固到规定的位置;此外,所有的螺栓拆卸与安装都要在冷态下进行,如果是热态拆装,很容易发生零部件变形。
发动机火花塞的安装,对扭紧力矩要求是非常严格的。这主要是因为,火花塞深入到发动机燃烧室中,是火焰燃烧的起点。这个点正确与否,对发动机的燃烧影响非常大。特别是对于一些缸内直喷、分层燃烧的发动机来说,火焰中心的位置、燃油喷射的角度都经过精密的计算。如果火花塞安装位置不正确,比如火花塞侧电极挡住了燃油喷射,可能就无法实现分层燃烧了。这样的发动机,火花塞安装孔螺纹的起始位置是一样的,只要按规定扭矩扭紧,各火花塞点火位置一样,火焰中心位置相同,发动机运行稳定,工作顺畅。反之则会导致发动机无法正常工作。所以,更换火花塞时必须严格按规定的扭矩扭紧,不能凭经验操作。
还有一件事,很多小伙伴感到很奇怪:前段时间,奔驰、大众等车企多次发生由于螺丝紧固力矩不够而召回的事件。很多人有疑问:车企是如何知道这些螺栓紧固力矩不足的?
这主要是因为:主机厂生产线上打螺丝的扳手,都是有记忆功能的,可以记忆每一辆车每一个螺栓的紧固力矩,并且随时上传到车企的数据中心。这个数据至少储存15年,车企可以随时检查某一辆车某一个部位的紧固扭矩是否合格。如果汽车在销售之后发生问题,也可以随时查询问题的根源。这就是车企知道螺栓紧固力矩不足的原因。
再多说一句:主机厂生产线上的扳手,都不便宜哟,大多数是六位数以上,个别能达到七位数。并且这些扳手还要定期校验,定期报废,是生产成本的一部分。所以说,汽车制造是资金密集型企业,汽车价格昂贵也是有道理的。
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