某款發(fā)動機減震皮帶輪螺栓組件松脫問題解析

胡廣，陳麗霞，喬彥超

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江寧波 315336）

0 引言

螺栓是一種常見的標準緊固件，由頭部和螺桿組成，用于緊固連接兩個或多個帶有孔洞的零部件，是零部件在滿足功能使用的情況下不脫離、不滑移、不松脫，其中擰緊力矩是控制被緊固件之間緊固程度的重要參數(shù)，通過不同的擰緊力矩達到不同的緊固程度，從而保證被緊固件的功能使用。在發(fā)動機使用過程中，螺栓緊固失效是常見的一種問題，失效后對發(fā)動機產(chǎn)生不可挽回的后果。

某機型在臺架試驗過程中發(fā)動機前端異響，拆解發(fā)現(xiàn)減震皮帶輪螺栓組件松脫。螺栓連接如圖1所示。本文對該螺栓失效進行分析。

圖1 螺栓連接結構

1 原因分析

對減震皮帶輪及螺栓等配合件進行拆卸分析，前端配合如圖2所示，其中減震皮帶輪與曲軸正時帶輪配合位花鍵配合（如圖3）[2]。

圖2 減震皮帶輪連接結構

圖3 連接配合結構

1）減震皮帶輪。螺栓安裝面存在生銹情況，安裝面無磕傷等異常問題，螺栓過孔嚴重磨損，存在擴孔現(xiàn)象（如圖4），相關尺寸無法評價，對同批次產(chǎn)品進行關鍵尺寸檢測，尺寸均合格（如表1），減震皮帶輪花鍵側存在異常，花鍵存在嚴重磨損痕跡，表面狀態(tài)已被破壞（如圖5），正常試驗拆解狀態(tài)如圖6所示，花鍵狀態(tài)完好，花鍵無嚴重磨損問題。

圖4 減震皮帶輪螺栓安裝面

圖5 故障件花鍵狀態(tài)

圖6 正常件拆解后花鍵狀態(tài)

表1 減震皮帶輪螺栓安裝面尺寸

對故障件花鍵進行檢測（如圖7），大徑處與小徑處輪廓度為0.03 mm，輪廓度要求為0.15 mm，且同一直徑處30個齒的高度差約0.039 mm（如圖8），貼合滿足設計要求。

圖7 花鍵尺寸結構

圖8 花鍵輪廓數(shù)據(jù)

2）曲軸正時皮帶輪。帶輪花鍵部位存在磨損（如圖9），分析為螺栓松脫后，減震皮帶輪和正時皮帶輪存在相對運動，導致花鍵磨損，對相關尺寸檢測，均滿足要求，無異常。

3）減震皮帶輪螺栓組件。故障螺栓損壞，桿部存在明顯圓周性損傷（如圖10），尺寸無法檢測，對庫存同批次螺栓進行分析（如表2），滿足圖樣要求[1]。

圖9 曲軸正時皮帶輪

圖10 故障螺栓

表2 螺栓相關尺寸

4）擰緊排查。對故障機前后10臺發(fā)動機裝機擰緊曲線排查（如圖11）[6]，失效機螺栓最終擰緊力矩較正常值低約40～50 N·m（如圖12），50 N·m后轉角較正常值大約30°（如圖13），50 N·m后擰緊曲線斜率較正常值小0.5（如圖14）[3]。初步分析結論是：該失效機螺栓屬異常擰緊，異常裝配導致螺栓虛假擰緊[4]。

圖11 螺栓擰緊曲線

圖12 最終力矩

圖13 50 N·m后轉角

圖14 50 N·m后曲線斜率

5）裝配過程。生產(chǎn)線裝配操作人員單手抓取減震皮帶輪后，將其放在曲軸正時皮帶輪前端，另一單手將螺栓帶入，再用手持擰緊槍將螺栓預擰緊，最后生產(chǎn)線設備完成最終擰緊[8]。

該裝配過程存在問題，生產(chǎn)線發(fā)動機前端面相對于水平面90°放置，在自然狀態(tài)下減震皮帶輪花鍵與曲軸正時帶輪花鍵不會進行自定位（重力影響），減震皮帶輪裝配過程無花鍵對正操作，在花鍵不對正狀態(tài)下進行擰緊，造成花鍵擠壓，擰緊過程產(chǎn)生虛假力矩。

通過對故障件（如圖15）與正常裝配件（如圖16）進行花鍵壓痕對比，故障件花鍵接觸面呈非對稱壓痕且花鍵頂部被擠壓，正常裝配狀態(tài)下，花鍵接觸面呈對稱壓痕。初步分析結果是：該故障皮帶輪花鍵裝配異常，導致螺栓松脫[5]。

圖15 花鍵非對稱壓痕

圖16 花鍵對稱壓痕

6）故障復現(xiàn)。錯齒裝配花鍵Z（TVD花鍵及正時皮帶輪花鍵），生產(chǎn)線人工預擰緊，生產(chǎn)線設備最終擰緊，拆卸減震皮帶輪螺栓及螺栓，擰緊曲線如圖17所示，錯齒裝配狀態(tài)下，螺栓擰緊數(shù)據(jù)與故障機擰緊數(shù)據(jù)相當。驗證零件外觀表現(xiàn)：在錯齒裝配狀態(tài)下，其花鍵壓痕與故障機表現(xiàn)類似，呈非對稱壓痕（如圖18）。故障機TVD裝配狀態(tài)與錯齒裝配狀態(tài)相似，即故障機TVD花鍵異常裝配[7]。

圖17 錯齒裝配擰緊曲線

圖18 錯齒裝配壓痕

因失效機TVD花鍵呈非對稱壓痕，屬花鍵非正常咬合，生產(chǎn)線皮帶輪裝配工位發(fā)動機姿態(tài)不利于花鍵對正及自定心，且皮帶輪裝配過程無花鍵對正操作，減震皮帶輪花鍵裝配不到位，致使皮帶輪花鍵與曲軸正時帶輪花鍵未正常咬合，造成螺栓虛假擰緊，發(fā)動機運轉過程中，未正常咬合的花鍵齒面存在相對運動，最終導致螺栓卸載松脫[9]。

2 整改對策

1）裝配減震皮帶輪組件過程中，增加對正操作，便于兩花鍵齒（TVD花鍵與曲軸正時皮帶輪花鍵）自定心及齒面正確咬合；2）生產(chǎn)線發(fā)動機前端面相對于水平面75°放置，利于花鍵對正及自定心；3）新增擰緊力矩110～180 N·m區(qū)間曲線斜率為1.1～1.7，最終擰緊力矩監(jiān)控范圍由120～250 N·m調整為190～240 N·m，保證失效擰緊被設備識別報警。

3 效果驗證

經(jīng)過2臺3000次冷熱沖擊、2臺800 h循環(huán)耐久、4臺整車路試，皮帶輪及螺栓均通過驗證，未出現(xiàn)類似故障。截至當前，無減震皮帶輪螺栓組件脫落類似失效故障，證明整改有效。

4 結語

針對減震皮帶輪松脫問題，通過對失效螺栓及配合零部件進行匹配尺寸檢測，識別異常尺寸，并對失效件的外觀表現(xiàn)識別失效模式，分析失效原因，針對螺栓失效需要對擰緊工藝進行排查分析，通過對故障機的擰緊曲線及正常發(fā)動機的擰緊曲線對比差異并結合現(xiàn)場裝配擰緊工藝，確定在裝配過程中由于特殊結構花鍵存在未裝配到位情況，致使螺栓擰緊后產(chǎn)生虛假螺栓力矩，在發(fā)動機運轉過程中螺栓逐步反松，造成螺栓脫落，導致問題發(fā)生。