垫圈和垫圈螺纹紧固件的制作方法

本实用新型涉及一种防止扭矩异常的带垫圈螺栓设计，其适用于各发动机上带垫圈螺栓的接口，具体而言，本实用新型涉及一种垫圈和一种垫圈螺纹紧固件。

背景技术：

目前，对发动机的动力、油耗和排放的要求越来越高，发动机小型化也是现在市场的趋势，而因此带来的高爆压、布置空间窄等因素对紧固件也提出了更高的要求、如夹紧力的一致性、扭矩范围的控制等。一个可靠的连接系统应该保证其在整个发动机生命周期中能够提供稳定的夹紧力，以用于抵抗各种工况下的周期外在载荷及震动。由于夹紧力在产品生命周期中的接口松弛、材料蠕变等原因而存在衰减，因此紧固件在初安装时的夹紧力尤其重要，它是保证抗载荷能力、接口寿命、及最终衰减比例的重要前提。然而夹紧力在装配中无法直接测量，在装配过程中只能监控紧固件的拧紧扭矩与角度、缩小最终拧紧扭矩或角度值的范围来从侧面控制夹紧力的大小。

现在的装配工厂仍未关注垫圈螺栓的夹紧力问题，对于扭矩或角度范围广的现象也未得出具体根本原因。然而随着发动机轻量化，铝缸体铝缸盖的使用更加加剧了这种现象，这是因为铝材料较铸铁材料更软，机加工后的凸台表面更平滑，在大夹紧力作用下更容易屈服变形。因此在螺栓拧紧过程中，当螺栓与垫圈的摩擦力大于垫圈与被夹持件凸台时，就会发生扭矩跌落的现象。

在发动机上有很多部件由于空间及自身刚性所限，需要使用大法兰螺栓、如缸盖螺栓，隔热罩螺栓等。由于生产工艺所限，螺栓法兰无法达到设计要求大小，因此会使用垫圈螺栓。然而垫圈螺栓在装配过程中会出现垫圈跟转而导致的扭矩异常，使得出现最终扭矩范围大、夹紧力不符合设计要求等情况。

以缸盖螺栓为例，通常发动机内部的空间有限，大法兰螺栓无法直接装入内部，而垫圈螺栓的垫圈有部分活动空间，有利于紧凑环境下的安装。缸盖螺栓作为发动机内部的关键紧固件，在寿命周期内存在周期性的轴向载荷，同时需要保证夹紧力的衰减在可控范围内，以保证缸垫的密封力大小。目前关键零件普遍采用扭矩加转角进入屈服的方法来拧紧，但是现在垫圈螺栓存在垫圈跟转问题，随之而来的问题是，扭矩跟踪阶段的跌落会导致螺栓拧入过屈服，影响重复使用次数和增加拧断的风险；角度跟踪阶段的跌落会导致扭矩散差大，无法识别拧紧质量与零件质量异常。目前解决这类问题比较有效的方法是加大垫圈的直径、增大与螺栓孔凸台的接触面、加大摩擦力，但是大垫圈无法满足安装空间的要求。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的是提供一种垫圈螺栓的设计方案，以便进一步改善垫圈螺栓的装配性能、减少拧紧过程中发生的扭矩异常现象、防止垫圈跟转、减小装配后扭矩角度范围，以达到夹紧力稳定一致的目的。

此外，本实用新型还旨在解决或者缓解现有技术中存在的其它技术问题。

本实用新型通过对垫圈螺栓的接触法兰、垫圈形状、相关尺寸特征、及生产工艺等进行规定、即具体而言通过提供一种垫圈和一种垫圈螺纹紧固件来解决上述问题，具体而言，根据本实用新型的一方面，提供了：一种垫圈，所述垫圈能够用于螺纹紧固件本体的螺杆，在所述螺杆的外周缘处构造有螺纹，所述垫圈具有开孔并且能够以所述开孔套装到所述螺杆上，其中，所述垫圈的内径小于所述螺纹的公称直径，在所述垫圈的内径处构造有垫圈内径倒角。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种垫圈螺纹紧固件，其中，所述垫圈螺纹紧固件具有螺纹紧固件本体和垫圈，所述螺纹紧固件本体具有螺纹紧固件头部和螺杆，所述螺纹紧固件头部与所述螺杆固定连接，在所述螺杆的外周缘处构造有螺纹，所述垫圈具有开孔并且以所述开孔套装到所述螺杆上，其中，所述垫圈的内径小于所述螺纹的公称直径，在所述垫圈的内径处构造有垫圈内径倒角。

可选地，根据本实用新型的一种实施方式，所述垫圈安装在所述螺纹紧固件头部的下侧处。

可选地，根据本实用新型的一种实施方式，所述螺纹紧固件头部的法兰面具有外翘部作为所述螺纹紧固件头部与所述螺杆的过渡。

可选地，根据本实用新型的一种实施方式，所述外翘部在所述垫圈螺纹紧固件的纵剖面中呈现为直线，在垫圈螺纹紧固件竖直放置的情况下，所述外翘部与水平面具有0.5°-1°的角度。

可选地，根据本实用新型的一种实施方式，所述螺杆具有不同直径的两个柱状杆，在所述两个柱状杆之间形成有过渡部，所述螺纹构造在所述两个柱状杆中离所述螺纹紧固件头部较远的柱状杆的外周缘处。

可选地，根据本实用新型的一种实施方式，所述垫圈螺纹紧固件用于将发动机部件安装到发动机缸体缸盖上。

所提供的垫圈和垫圈螺纹紧固件的有益之处包括：减少了装配中扭矩跌落现象、缩小了最终扭矩与角度范围、稳定了夹紧力水平；不改变垫圈螺栓的基本尺寸与性能，能较快速便捷地改善问题。

附图说明

参考附图，本实用新型的上述以及其它的特征将变得显而易见，其中，

图1示出了根据本实用新型的垫圈螺纹紧固件的一种实施方式的示意图；

图2示出了根据本实用新型的垫圈的一种实施方式的示意图；

图3示出了根据本实用新型的螺纹紧固件头部的法兰面的一种实施方式的示意图；

图4示出了所述垫圈螺纹紧固件的生产工艺经调整之后的流程图。

具体实施方式

容易理解，根据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型技术方案的限定或限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

参考图1和图2，其分别示出了根据本实用新型的垫圈螺纹紧固件100的一种实施方式的示意图和根据本实用新型的垫圈1的一种实施方式的示意图。所述垫圈1能够用于螺纹紧固件本体2的螺杆7，在所述螺杆7的外周缘处构造有螺纹3，所述垫圈1具有开孔并且能够以所述开孔套装到所述螺杆7上，其中，所述垫圈1的内径小于所述螺纹3的公称直径，在所述垫圈1的内径处构造有垫圈内径倒角4。所述垫圈螺纹紧固件100具有螺纹紧固件本体2和垫圈1，所述螺纹紧固件本体2具有螺纹紧固件头部6和螺杆7，所述螺纹紧固件头部6与所述螺杆7固定连接，在所述螺杆7的外周缘处构造有螺纹3，所述垫圈1具有开孔并且以所述开孔套装到所述螺杆7上，其中，所述垫圈1的内径小于所述螺纹3的公称直径，以便保证在所述螺纹紧固件本体2搓丝后所述垫圈1不掉落，在所述垫圈1的内径处构造有垫圈内径倒角4，通过改变所述垫圈内径倒角4的尺寸来减小所述螺纹紧固件本体2与所述垫圈1的接触面，从而减小两者之间的摩擦力。

应当理解的是，“垫圈螺纹紧固件”这一术语表示带有垫圈的螺纹紧固件，并且所述螺纹紧固件或螺纹紧固件本体涵盖了带有螺纹的并同时起紧固作用的部件、例如螺栓、双头螺柱、螺钉等。

从图1中还能够看出的是，所述垫圈1安装在所述螺纹紧固件头部6的下侧处。为了在物理上减小摩擦力的力矩半径以用于避免所述垫圈1发生跟转，所述螺纹紧固件头部6的法兰面具有外翘部5作为所述螺纹紧固件头部6与所述螺杆7的过渡，这与普通螺栓平法兰与内凹法兰不同并且能够从图3看出，其示出了根据本实用新型的螺纹紧固件头部6的法兰面的一种实施方式的示意图。

需要说明的是，所谓“法兰面”为本领域技术人员惯用用语，其是指所述螺纹紧固件头部6的超越搬拧面直径的支撑面，即与被夹紧件贴合的接触面，而“外翘部”顾名思义是指相对于所述螺杆7而言向外延伸的部分，使得法兰面整体呈现中心凸出特征。

从图3中还能够看出，所述外翘部5在所述垫圈螺纹紧固件100的纵剖面中呈现为直线，在垫圈螺纹紧固件100竖直放置的情况下，所述外翘部5与水平面具有0.5°-1°的角度。所述角度已在图3中示意性地标注出来。在这种法兰特征的作用下，所述螺纹紧固件本体2与所述垫圈1在拧紧过程中是内圈优先得到接触。

参考图4，其示出了所述垫圈螺纹紧固件100的生产工艺经调整之后的流程图。从图中可以看出，在所述螺纹紧固件本体2单独磷化后再进行所述垫圈1的所述安装。此外，在所述垫圈1的所述安装之后对所述螺杆7进行搓丝。

应当理解的是，“磷化”和“搓丝”均属于本领域技术人员的惯用用语。“磷化”是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程，磷化的主要目的是给基体金属（在此为所述螺纹紧固件本体2）提供保护，一定程度上防止金属被腐蚀。除了抗腐蚀性外，所述螺纹紧固件本体2的磷化也会调节其摩擦系数，通常磷化后的摩擦系数会降低，磷化也是发动机内部紧固件最多采用的表面处理工艺。“搓丝”则是一种制造螺丝的工艺，其避免了车床、钻床或手动攻丝的局限，具有省力、不易烂牙、丝锥不易折断等的优点。通过搓丝板间对螺杆的挤压，使金属发生塑性变形生成螺纹，成形后的螺牙精度高、强度好、螺栓生产速度快，且生产成本低廉，是目前主要的螺牙加工方式。

一般而言，垫圈螺栓的生产工艺顺序为先搓丝后磷化，将表面处理工序（也就是磷化）在最后进行以保证磷化膜可以完整地覆盖整个螺栓，达到最好的防腐蚀效果。而调整后的生产工艺顺序是先把所述螺纹紧固件本体2单独磷化，之后再套所述垫圈1和搓丝。这样的工艺顺序好处是所述螺纹紧固件本体2的耐腐蚀性能没有降低，并且没有磷化的所述垫圈1与缸盖的相对摩擦力更大，而所述垫圈1的工作环境处于发动机的内部，故不会腐蚀也不直接影响夹紧力，因此不存在性能问题。

需要说明的是，优选地，所述垫圈1在所述螺杆7的所述搓丝之后是无法拆卸的。也就是说，所述螺纹紧固件本体2与所述垫圈1的成品是一体式的，以便提高所述垫圈螺纹紧固件100整体上的稳定性和牢固性。

此外，在图1中还能够看出，所述螺杆7具有不同直径的两个柱状杆，在所述两个柱状杆之间形成有过渡部，所述螺纹3构造在所述两个柱状杆中离所述螺纹紧固件头部6较远的柱状杆的外周缘处。在图中，具有较大直径的柱状杆位于下方，具有较小直径的柱状杆位于上方，并且所述螺纹3构造在所述具有较大直径的柱状杆处。应当理解的是，柱状杆在尺寸方面的配置以及所述螺纹3的配置能够根据实际情况进行改变。

优选地，所述垫圈螺纹紧固件100用于将发动机部件安装到发动机缸体缸盖上，其能够满足生产上的扭矩追踪要求，避免扭矩与夹紧力的波动。

综上所述，为了解决扭矩跌落的问题，本实用新型一方面针对所述螺纹紧固件头部6的法兰面的设计进行改善，改变所述螺纹紧固件本体2与所述垫圈1的受力接触点，减小两者的相对摩擦力旋转力臂，从而减小两者的摩擦力矩大小；另一方面针对所述垫圈1的形状及尺寸进行改善，通过增大所述垫圈1的内径，减小所述垫圈1与所述螺纹紧固件本体2的接触面，从而降低两者的相对摩擦力。内部紧固件对防腐蚀的要求较低，因此一般采用磷化的表面处理，而磷化膜与铝的相对摩擦系数偏低，也是导致垫圈跟转的原因之一。通过改变所述垫圈螺纹紧固件100的表面处理与搓丝的相对顺序，达到所述垫圈1不磷化只涂油的目的，从而增加所述垫圈1与缸盖之间的摩擦力，降低所述垫圈1跟转的现象。由此，本实用新型的所述垫圈螺纹紧固件100提供了防扭矩跌落的手段，在不影响性能的前提下，改善了所述螺纹紧固件本体2及所述垫圈1的设计特征参数、调整了生产工艺，避免了生产过程中的垫圈跟转和扭矩角度不稳定，从而稳定了夹紧力水平。

应当理解的是，所有以上的优选实施例都是示例性而非限制性的，本领域技术人员在本实用新型的构思下对以上描述的具体实施例做出的各种改型或变形都应在本实用新型的法律保护范围内。