文章编号：１００６－８２４４（２０２０）０３－００７－
Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇ
ｉｎｅ ＦｕｅｌＣｏｍｍｏｎ Ｒａｉｌ Ｔｈｒｅａｄ ｏｆ Ｒｏｔｔｅｎ Ｔｅｅｔｈ陈小磊
（上海大众动力总成有限公司 上海 ２０１８２１
）Ｃｈｅｎ Ｘｉａｏｌｅｉ
（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇ
ｈａｉ ２０１８２１）［摘要］在上海大众动力总成有限公司ＥＡ２１１系列发动机Ｃ６排放改造项目中，进行第二阶段国产化试制时，在拧紧燃油压力传感器时发生平均高达１３．１％的燃油共轨螺纹烂牙现象。通过对造成断裂现象的原因进行排查，发现除１例为人为装配错位外，其余均为共轨端螺纹断裂导致螺纹烂牙，比例高达８７．５％。组建ＱＣ小组针对该失效进行头脑风暴及系统图分
析，对所有可能产生失效的原因进行一一排查，确定主要原因为（１）拧紧扭矩逼近燃油共轨螺纹承载上限；（２）拧紧转速设置过高。最终通过对扭矩参数的修正，并设计试验验证最终拧紧效果，消除了燃油共轨螺纹烂牙的风险。
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｉｎ ｔｈｅ ＥＡ２１１ｓｅｒｉｅｓ ｅｎｇｉｎｅ Ｃ６ｅｍｉｓｓｉｏｎｓｒｅｎｏｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ ＰｏｗｅｒｔｒａｉｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ １３．１％ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ｃｏｍ－ｍｏｎ ｒａｉｌ ｔｈｒｅａｄ ｒｏｔｔｅｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ ｔｉｇｈｔｅｎｅｄ．Ｂｙ
ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇｔｈｅ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ，ｏｎｅ ｃａｓｅ ｗａｓ ｍａｎ－ｍａｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｔ ｗｅｒｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙｔｈｒｅａｄ ｒｏｔ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ ｅｎｄ，ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｗａｓ ａｓ ｈｉｇｈ ａｓ ８７．５％．Ａ ＱＣ ｔｅａｍ ｗａｓ ｏｒｇ
ａｎｉｚｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｂｒａｉｎｓｔｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｃｈａｒｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｏｍｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎｓ ｆｏｒ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｄｅ－ｔｅｒｍｉｎｅｄ：（１）ｔｈｅ ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｗａｓ ａｐｐｒｏａｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ ｔｈｒｅａｄ ｌｏａｄ；（２）ｔｈｅ ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ
ｇｕｎ ｓｐｅｅｄ ｗａｓ ｓｅｔ ｔｏｏ ｈｉｇｈ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｎａｌｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｏｆ ｒｏｔｔｅｎ ｔｅｅｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ ｔｈｒｅａｄ ｉｓ ｅｌｉｍ－ｉｎａｔｅｄ．
关键词：
发动机 螺纹 拧紧试验 扭矩参数 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅ ｓｃｒｅｗ ｔｈｒｅａｄ ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｔｅｓｔ ｔｏｒｑｕｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 中图分类号：
ＴＰ３９１．４ 文献标识码：Ｂ作者简介：陈小磊，男，工程师，主要研究方向为产品试制，Ｅ
－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｌｅｉ．ｃｈｅｎ＠ｖｗ－ｐ
一汽集团ｏｗｅｒｔｒａｉｎ．ｃｏｍ。０ 引言
ＥＡ２１１系列发动机使用的直喷技术由高压油
泵、燃油压力传感器、高压燃油管、燃油共轨、喷油嘴、ＥＣＵ等组成，由高压油泵产生高压并将压力储存于燃油共轨内，通过燃油压力传感器读取压力值，根据发动机工况的变化，ＥＣＵ控制喷油嘴针阀开闭进行缸内直喷形成混合气参与燃烧。该系列发动机的燃油直喷系统在Ｃ６排放改造项目中，压力由原本的Ｃ５的２００ｂａｒ提升至３５０ｂａｒ
，所有相关零部件均适应新的压力需求提升了零件强度，其中燃油压力共轨更是从原本的焊接件更新为一体式铸造件，同时适配燃油压力传感器的螺纹由钢制更改为黄铜制。燃油压力传感器在装配拧紧过程中，一般采用终值扭矩拧紧法，使用拧紧等电动拧紧设备实现批量生产。因共轨和压力传感器直接拧紧，共轨内存在高压燃油，是发动机装配过程的重要步骤，与此同时，发动机预批量项目阶段的失效分析有助于消除发动机批量投产时产生的零部件报废，大幅降低经济损耗，提升产品稳定性并保证
—
７—第３４卷第３期２０２０年９月传 动 技 术
ＤＲＩＶＥ ＳＹＳＴＥＭ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＶｏｌ．３４ Ｎｏ．３
Ｓｅｐ
ｔｅｍｂｅｒ ２０２０
新项目发动机的顺利投产。
１ 燃油共轨烂牙缺陷现状调查
在Ｃ６项目的试制过程中，总计完成６１台发动机，有近５０％的问题为拧紧过程的不可靠导致的装配缺陷，
其中产生了８例燃油共轨螺纹在拧紧燃油压力传感器过程中出现烂牙的缺陷（图１
）
。图１ ＥＡ２１１发动机燃油共轨螺纹烂牙率Ｆｉｇ
．１ Ｆａｉｌｕｒｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｆｕｅｌ ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ ｔｈｒｅａｄ ｉｎＥＡ２１１ｅｎｇ
ｉｎｅｓ 依次对８件缺陷进行检查，
除１例为人为放置燃油压力传感器时因装配错位引起的螺纹烂牙，其它均为燃油共轨黄铜端螺纹断裂导致的烂牙，并最终导致拧紧失效。螺纹整体断裂，严重时整段螺牙彻底脱落，断裂螺牙无粘连现象，脱落后螺纹内壁平整（图２
）
。图２ 燃油共轨螺纹断裂
Ｆｉｇ
．２ Ｂｒｏｋｅｎ ｔｈｒｅａｄ ｏｆ ｆｕｅｌ ｃｏｍｍｏｎ ｒａｉｌ２ 燃油共轨螺纹断裂原因分析
发动机Ｃ６排放标准改造项目中使用的燃油共轨为全新零部件，在安装工艺上沿用Ｃ５批量投产的机型。首先使用大众指定润滑介质对燃油压力传感器头部及螺纹进行涂油操作，
随后手工将传感器拧紧至无法继续转动，然后使用电动拧紧通过终值扭矩法拧紧至３５Ｎｍ。根据大众发动机公司对于质量和产品的要求，重视新产品导入过程中的质量风险，从而达到批量生产过程和产品的质量水平要求，而螺纹烂牙易引起不必要的返工和零件损
失，作为关键零件的燃油压力传感器，必须在进入批量投产之前解决问题，整改期限要求紧张且必须行之有效，务必需要彻底消除因燃油共轨螺纹断裂引起的失效模式；根据经验，该螺纹断裂问题约有１％的偶然因素。因此有：
目标燃油共轨螺纹烂牙率理论值＝１３．１％－１３．１％×８７．５％×９９％≈１．
７５％。因果图用于整理和展示引发某个问题的多种原因之间的相互关系。通过一种结构化的、系统化的方式，项目团队可以将注意力集中于某一特定问题的可能原因。该工具有助于项目团队理清分析引发问题的各种潜在原因的思路，使团队能够更有
效地出真正的原因［
１］
。这里使用因果图来出螺纹共轨断裂的主要
原因，以便采取有效措施和手段减少甚至消除该风险，减少不良率（图３
）
。图３ 因果图
Ｆｉｇ．３ Ｃａｕｓｅ－Ｅｆｆｅｃｔ ｄｉａｇ
ｒａｍ 分析所有可能引起螺纹断裂的原因：
对大众动力总成现场人员资质及设备状态的
丰田管理模式—
８—
确认，４名操作人员经过正确额定培训且技能满足上岗要求；现场拧紧步骤描述完整；现场设备点检标定确认扭矩传感器重复精度达到ＶＤＡ６．３要求，排除潜在原因一、二、三。
对现存在库零件现场进行确认，确认在库５６件燃油压力传感器和１５０件燃油共轨均符合大众集团ＶＷ０１１３４，
故燃油共轨螺纹或燃油压力传感有杂质或缩孔为非要因，排除潜在原因四。
小组成员要求供应商对现存在库零件进行抽样检查，所以３０件燃油共轨黄铜螺纹端样本硬度符合图纸要求，硬度均在１１０ＨＶ１－１６０ＨＶ１之间，平均硬度为１３６．８ＨＶ１（图４），符合图纸要求；１０件燃油共轨黄铜螺纹端样本牙型角符合图纸要求，角度区间为５９°－６１°，螺纹规通过性良好，排除潜在原因五、六
。
吉奥新柴神图４ 螺纹端黄铜维式硬度ＨＶ１直方图Ｆｉｇ．４ Ｈｉｓｔｏｇ
ｒａｍ ａｂｏｕｔ Ｖｉｃｋｅｒｓ’ｈａｒｄｎｅｓｓ ＨＶ１ｏｆｂｒａｓｓ
ｔｈｒｅａｄ 小组成员在大众动力总成实验室进行工艺复
核确认，针对大众集团认可的两种不同的涂油位置进行１２组抽样试验（表１），发现两种涂油位置对于最终拧紧状态的无影响，同时１２台发动机在整车或台架试验过程中未发现功能性问题，排除潜在原因七。
表１ 涂油位置抽样试验
Ｔａｂｌｅ １ Ｓａｍｐｌｉｎｇ
ｔｅｓｔ ｏｆ ｌｕｂｒｉｃａｔｅｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ发动机号涂油方法首次拧紧扭矩
（Ｎｍ）静置后复测扭矩
（Ｎｍ）ＤＪＺ００００１６头部＋螺纹涂油３５．００ ３７．１３ＤＪＺ００００２１头部＋螺纹涂油３５．１３ ３５．４９ＤＪＺ００００２３头部＋螺纹涂油３５．２９ ３９．４２ＤＪＺ００００２５头部＋螺纹涂油３５．１２ ４２．００ＤＪＺ００００２６头部＋螺纹涂油３５．７０ ３５．１５ＤＪＺ０
０００２７头部＋螺纹涂油
３５．１３ ４１．４０ＤＪＺ００００３１头部涂油３５．３８ ３６．２５ＤＪＺ００００３３头部涂油３５．０９ ３９．９２ＤＪＺ００００３６头部涂油３５．１２ ３６．１５ＤＪＺ００００４８头部涂油３５．０４ ３６．７１ＤＪＺ００００４９头部涂油３５．２２ ３８．７１ＤＪＺ００００５０
头部涂油
３５．２７
３７．４１
按照大众集团螺纹连接的测试和评价标准
ＶＷ０１１１０－４进行２０组螺纹断裂拧紧试验，使用现有拧紧工艺３５Ｎｍ，评判标准为目标扭矩Ｍａ
，需要介于极限破坏扭矩Ｍｌｉｎ的０．５～０．９倍之间，即０．５×Ｍｌｉｎ≤Ｍａ≤０．
９×Ｍｌｉｎ（图５），实际试验结果为２０组螺纹中，有５组Ｍａ＞０．９×Ｍｌｉｎ，由此可以认为不合格螺纹断裂是拧紧扭矩逼近燃油共轨螺纹承载上限所致，因此确定要因为潜在原因八。
图５ ３５Ｎｍ下的螺纹断裂拧紧试验示例
Ｆｉｇ．５ Ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｓｃｒｅｗ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ
买二手车划算吗ｔｅｓｔ ｉｎ ３５Ｎｍ 对该拧紧过程按照大众集团螺纹连接的测试
和评价标准ＶＷ０１１１０－
４进行３类２０组螺纹拧紧试验（表２），在１５－２０ｒｐｍ下未发现断裂，目前使用的２５ｒｐｍ下发现１例断裂现象。该工艺要求的转速设置过高，导致其出现重复断裂现象，因此确定要因为潜在原因九。
表２ 拧紧转速抽样试验
Ｔａｂｌｅ ２ Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ
ｓｐｅｅｄ拧紧转速试验数量断裂数１５ｒｐｍ ５组０２０ｒｐ
ｍ ５组０２５ｒｐｍ ５组（
目前使用）１３０ｒｐ
ｍ ５组
１
３ 燃油共轨螺纹断裂失效改进
参考同规格共轨在德国１．５Ｔｅｖｏ上的扭矩设定，通过断裂测试初步验证新扭矩拧紧方法（５Ｎｍ＋８０ｄｅｇ，终扭矩值２２Ｎｍ－３０Ｎｍ，２０ｒｐ
ｍ）并设计拧紧试验、密封性试验、剖面检测和拆解试验验证零部件安装稳定性及功能性。
使用新的扭矩设定按照大众集团螺纹连接的测试和评价标准ＶＷ０１１１０－４进行５组螺纹断裂拧紧试验（图６），评判标准为目标扭矩ＭＩ，需要介于极限破坏扭矩Ｍｌｉｎ的０．６５倍至屈服扭矩之间，即０．６５×Ｍｌｉｎ≤Ｍａ≤Ｍ屈服，
最终试验结果５组终值—
９—
扭矩均符合０．６５×Ｍｌｉｎ≤ＭＩ≤Ｍ屈服，即拧紧断裂扭矩符合标准要求
。
图６ ５Ｎｍ＋８０°下的螺纹断裂拧紧试验示例Ｆｉｇ．６ Ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｓｃｒｅｗ ｂｒｅａｋｉｎｇ
ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｔｅｓｔ ｉｎ
５Ｎｍ＋８０° 使用拧紧机针对新的装配扭矩过程进行试验，验证新工艺拧紧过程的稳定性。试验总计进行４２组，通过对所有数据的监控发现，在５Ｎｍ＋８０°，转速为２０ｒｐｍ的工艺下，平均扭矩为２５．７Ｎｍ。所有试验组均未发生断裂现象，拧紧过程稳定（图７
）
。图７ 装配扭矩过程进行试验散点图Ｆｉｇ．７ Ｓｃａｔｔｅｒ ｐｌｏｔ ｏｆ ａｓｓｅｍｂｌｙ
ｔｏｒｑｕｅ ｐｒｏｃｅｓｓ 发动机运行温度根据实际情况，
一般分布在－２０℃至１
２０℃之间。取试验环境为分别为室温和１４０℃，
使用专用液压密封测试设备验证新扭矩下零件的密封性能。密封设备输入压力５００ｂａｒ，根据零件设计要求，在该条件下泄漏速率均小于０．５ｂａｒ
／１０ｍｉｎ，试验总计进行４２组，均布０．２ｂａｒ－０．４ｂａｒ
，密封性能符合设计要求（图８）
。图８ 密封性试验结果直方图Ｆｉｇ．８ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｏｆ ｓｅａｌｉｎｇ
ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ 经过上述密封性实验中的１
４组进行剖面分析，从图９中可以看出，在５０ｘ放大倍率下传感器和共轨左侧结合面密封良好，
无开裂或锯齿状结合区域，未见明显金属间相互腐蚀的现象，右侧状态同左侧，１４组均呈现相似状态（
雅绅特改装
图９）
。图９ 剖面分析示例
常州车管所违章查询Ｆｉｇ．９ Ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎａｌｙ
ｓｉｓ 取剩余２
８组样本进行拆解试验。经测量，最终平均拆解扭矩为１８．１Ｎｍ，大约为初始安装扭矩的７０％（图１０
）。拆解过程为发现异常，作为新工艺下返修及后续应用的依据
。
图１０ 拆解试验结果直方图
Ｆｉｇ．１０ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｏｆ ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ
ｒｅｓｕｌｔｓ４ 结论
根据上文提到的原因分析及改进后的实验结果，在ＥＡ２１１系列Ｃ６排放标准改造的项目中，出现的燃油共轨螺纹烂牙风险主要由燃油共轨螺纹断裂引起，其主要原因为拧紧扭矩过大，逼近燃油共轨螺纹承载上限，
且拧紧转速过高。通过使用新工艺５Ｎｍ＋８０°，转速为２０ｒｐｍ替换原工艺３５Ｎｍ±１０％，转速为２５ｒｐ
ｍ，可以极大程度地消除ＥＡ２１１燃油共轨因螺纹断裂引起的烂牙故障，可以有效降低故障风险及报废零件成本。
参考文献
［１］ Ｊ
ＯＳＥＰＨ Ｍ，ＪＵＲＡＮ，ＪＯＳＥＰＨ Ａ，ＤＥＦＥＯ．Ｊｕｒａｎ’ｓＱｕａｌｉｔｙ Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．Ｃｈｉｎａ Ｒｅｎｍｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２０１４，５９１－
５９２．—
０１—
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