林夕涵 吕启菊 林卫 梁双青

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

发动机作为汽车的心脏，其经济性和安全性则尤为重要。发动机出现的故障原因有很多，其中有相当一部分是由于螺栓、螺母拧紧出现问题造成的，特别是在运动件、密封件的螺栓紧固中。本文将从实际案例出发，分析螺栓及连接件导致发动机漏水的原因。

2 发动机漏水故障现象

发动机热试是发动机质量问题的检测手段之一，是发动机真实着车状态的体现，可以及时有效的发现由零部件质量和装配错误造成的故障，极大的降低发动机出厂的故障率。其通过发动机外接冷却循环、燃油供给等点火运行，利用ECU采集发动机各传感器信号，根据ECU内部策略定性判断发动机故障。以A汽车制造公司为例，公司生产的某发动机在进行热试测试期间，发现五台该发动机出水总管和节温器壳结合处出现漏水故障。漏水故障示意图见图1。

图1 某发动机漏水故障示意图

3 发动机漏水故障分析

出水总管是形成发动机冷却系统的一部分，主要作用是传递冷却液，协助冷却液对发动机散热。而节温器是根据冷却水温度自动调节进入散热器的水量，改变水的循环范围，以调节冷却系统的散热能力，保证发动机在合适的温度范围内工作，可起到节约能耗的作用。当汽车的温度还没有达到正常温度前水箱处于关闭状态，冷却水在水箱的上半部循环，发动机处于低温状态下会使油耗增大。当汽车达到正常温度后开启水箱，进行大循环，促使发动机快速散热，才能正常工作。因此，若在汽车行驶过程中出现漏水现象，可能导致发动机高温运动部件异常磨损。

以A汽车制造公司某发动机漏水故障问题为例，其出水总管形状比较复杂，长度较长，有多处弯曲，与发动机的连接有多个螺栓及螺母，且不在一个平面上，其与出水口支座连接采用的是法兰加密封垫的密封形式，现在漏水处正是法兰连接处。经过对故障件检查、现场故障分析，现运用故障树对案例中故障发动机出水总管和节温器壳结合处漏水问题的原因进行分析，并逐一进行排查验证。故障树如图2所示：

图2 A汽车制造公司某发动机漏水问题故障树分析

4 发动机漏水故障诊断与排除方法

经故障树分析，将通过对发动机零件螺母扭力、结合面相关表面质量缺陷、出水管总成安装尺寸、员工操作及标准化操作文件以及出水总管支架螺栓/连接螺母装配工艺要求等因素进行逐一验证，查找发动机漏水故障原因。

4.1 连接螺母扭力测量及验证

通过对某故障发动机连接螺母扭矩值与标准扭矩范围值的对比测量，以及零件在不同扭矩下发动机漏水状态的验证两方面，排查连接螺母扭矩因素对故障发动机的影响。

1）测量故障发动机出水总管法兰端连接螺母扭矩。使用扭矩扳手对故障发动机出水总管法兰端连接螺母进行测量，连接螺母正常扭矩值范围为8～12N.m。经测量，所有的连接螺母扭矩都在8N.m以上，说明螺母扭矩符合要求，此原因排除。

2）验证故障发动机出水总管法兰端连接螺母扭矩。工艺顺序为先拧紧支架螺栓再拧紧连接螺母，试验分别对正常扭矩值和降低扭矩值验证连接螺母扭矩的影响，扭矩值分别取10N.m、6N.m、2N.m。验证过程及结果如下：

图3 故障发动机支架螺栓及法兰螺母（上、下）示意图

第1次试验，使用扭矩扳手拧紧合格出水总管连接螺母，扭矩值设定为10N.m，静置3天后测量螺母扭矩，结果上螺母扭力7.85N.m，下螺母扭力7.9N.m，扭矩有衰减，按正常条件热试检测，无漏水现象；

第2次试验，其他条件不变，扭矩值设定为6N.m拧紧出水总管连接螺母，结果上螺母扭力6.0N.m，下螺母扭力5.5N.m，扭矩值较低，按正常条件热试检测，无漏水现象；

第3次试验，其他条件不变，扭矩值设定为2N.m拧紧出水总管螺母，结果上螺母扭力1.6N.m，下螺母扭力2.35N.m，扭矩值很低，按正常条件热试检测，无漏水现象。

依据验证结果，连接螺母扭矩值低，发动机热试检测未发现漏水现象，可排除此原因。

4.2 检查零件结合面相关表面质量缺陷

分别对故障发动机结合面相关零件出水口垫片凸筋、出水总管法兰面及节温器壳端面表面质量进行确认。

1）出水口垫片凸筋失效检查。通过将故障发动机的出水口垫片凸筋（如图4）与同型号合格零件进行对比检查，发现故障发动机的出水口垫片凸筋均匀，无凹陷、断层等问题，与合格零件无差异，不存在失效，所以出水口垫片不是漏水的原因；

图4 故障机出水口垫片无变形

2）检查出水总管法兰面平面缺陷。检查5台发动机出水总管零件法兰面，发现1台出水口法兰面有凸点（图5），平面度为0.043mm低于标准值（标准值＜0.1mm)为合格零件，因此该问题不是漏水的原因；

图5 出水总管法兰面有凸点

3）检查节温器壳端面缺陷。目视检查节温器壳端面（图6）平整，漏水位置密封痕迹不明显，无异常。因此节温器壳端面缺陷问题排除。

图6 节温器壳端面平整

4.3 检查出水管总成安装尺寸

取发动机出水总管故障件及新件，分别测量其与法兰面和支架端面夹角、支架螺栓孔到出水口下螺栓孔距离，发现故障件（夹角46.43°，螺栓孔距离203.56mm）及新件(夹角48.95°，螺栓孔距离200.27mm)的夹角实测值尺寸均有超差（如图7），夹角标准值为50±0.5°，螺栓孔工艺要求范围值201.1±0.5°mm，零件结合面存在漏水风险。验证过程及结果如下：

图7 选取故障件及新件的夹角实测值

1）第1次试验，安装超差出水总管，先打紧连接螺母再打紧支架螺栓，测量上螺母扭力9.9N.m，下螺母扭力9.0N.m，最高水压270kpa，水温90°C，扭力值在正常范围，经热试检测，无漏水。

2）第2次试验，其他条件不变拧紧螺母，测量上螺母扭力7.0N.m，下螺母扭力6.0N.m，扭力值较低，经热试检测，无漏水。

验证结论，夹角超差零件热试检验，结合面无漏水。因此夹角超差问题排除。

4.4 检查员工操作及标准化操作文件

通过对现场员工操作方式的检查及沟通，发现员工均按标准化文件拧紧顺序要求“先拧紧连接螺母，再拧紧支架螺栓”执行，故排除员工操作原因。

4.5 检查出水总管支架螺栓/连接螺母装配工艺要求

对出水总管支架螺栓及法兰螺母拧紧顺序进行验证，连接螺母正常扭矩值范围为8～12N.m，并将漏水等级按1到5级进行划分。

1）按工艺顺序要求“先拧紧支架螺栓，后拧紧连接螺母”，并装机进行热试验证：

第1次试验，安装原出水总管故障件，法兰面和支架端面夹角符合标准（50°±0.5°）要求，先拧紧支架螺栓，后拧紧连接螺母，测量上螺母扭矩为5.0N.m，下螺母扭矩为5.0N.m，扭矩值很低，经热试检测，漏水等级1级；

第2次试验，条件及拧紧顺序不变，测量上螺母扭力10.7N.m，下螺母扭力10.6N.m，扭矩值正常，经热试检测，漏水等级3级；

第3次试验，条件及拧紧顺序不变，测量上螺母扭力16.0N.m，下螺母扭力16.0N.m，扭矩值高，经热试检测，漏水等级5级；

2）改变拧紧顺序“先拧紧连接螺母，后拧紧支架螺栓”，并装机进行热试验证：

改变拧紧顺序为先拧紧连接螺母再对支架螺栓进行拧紧，其他条件不变，测量上螺母扭力7.0N.m，下螺母扭力7.0N.m，扭力值低，经热试检测，无漏水。

验证结论，按工艺拧紧顺序“先拧紧支架螺栓，后拧紧连接螺母”，即使连接螺母扭矩大于工艺要求仍可能出现漏水的问题。使用相同零件及工具，改变拧紧顺序由“先拧紧接螺母，后支架螺栓”，即使扭矩小于工艺要求，结合面处亦密封良好。因此，若先拧紧支架螺栓，可能导致支架被固定无自由度，使得连接螺母拧紧时法兰面无法与节温器座端面贴合，二者之间存在间隙，从而导致漏水。依据该潜在原因，对工艺文件进行检查，发现工艺文件明确要求先拧紧出水管螺栓，再拧紧法兰与节温器连接螺母，与现场验证结果一致。因此确定螺栓拧紧工艺设计不合理是故障的主要原因。

5 故障排除

通过以上验证，最终确认该发动机出水总管和节温器壳结合处漏水的主要原因是螺栓拧紧工艺设计不合理。经过与工艺部门、生产车间等相关区域沟通及讨论，重新调整螺栓拧紧工艺要求，明确先拧紧法兰螺母后再拧紧出水总管支架螺栓。措施实施后，对1000台发动机热试检测进行跟踪，漏水问题未发生，故障解决。

6 经验教训

在发动机装配的过程中，螺栓的拧紧程度和次序对其装配质量有着直接的影响。对于一般螺栓的拧紧比较好办，连接件不松动达到扭矩要求就可以了。但对有垫片、形状复杂、有密封要求的螺栓拧紧，则应有先有后、对称均匀，轮流拧紧要求。其紧固原则是按先中间、后两边、对角、顺时针方向依次、分阶段紧固。对形状复杂的紧固件，应先紧固密封面或法兰，再紧固支架。上紧螺栓时，一般分两段紧固：第一步拧50%左右的力矩；第二步拧100%的力矩。本文中，某发动机紧固件形状复杂，开始时未遵循该原则，先紧固零件支架，导致零件固定不到位，法兰密封处无法贴紧导致漏水故障。

7 结束语

汽车是现今社会十分重要且极为普遍的交通工具，保证汽车的行驶安全是极为重要的内容。发动机作为汽车的心脏，深入分析发动机设计和制造缺陷，有助于故障的排除，延长发动机寿命。发动机装配工艺设计不合理，可能会导致发动机漏水、漏油、异响等各种质量问题。本案例根据A汽车制造公司某发动机热试检测时出现的漏水故障进行分析，逐一排除各种可能因素，最后找出由于发动机装配工艺不合理造成的质量问题，对汽车发动机制造工厂的工艺部门、生产车间、质量部门等均有警示作用，让大家对紧固件拧紧原则的重要性有了更深的认识。