排氣系統(tǒng)耐熱雙頭螺柱的應用研究

劉向峰 吳衛(wèi)鈺 鄭洲洋

(寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，寧波 315336)

0 前言

在機械行業(yè)，螺栓連接是1種非常普遍的緊固形式。汽車及其他各種機器總成的各個零部件之間的組裝，基本上都是依靠螺栓連接。在眾多的螺栓型號中，雙頭螺柱由于其獨特的結(jié)構(gòu)形式，以及在安裝零部件的過程中具有一定的導向和定位作用，使其在裝配工藝上獨具優(yōu)勢，成為零部件裝配固定的必要考慮因素。此外，在螺栓/螺柱的連接設(shè)計中，設(shè)計者不僅要充分考慮螺栓的尺寸、材料、公差等級、機械性能等，還要充分考慮螺栓的應用環(huán)境，如溫度場(高/低溫)、振動、冷熱交替、腐蝕性等環(huán)境影響因素。

排氣系統(tǒng)由于其環(huán)境的特殊性和連接件間的密封問題，一直是各大廠家研發(fā)過程的設(shè)計難題。目前，常見汽油發(fā)動機的排氣溫度范圍在800～1 000 ℃，且隨著各大廠家對發(fā)動機性能的不斷提升，排氣溫度呈逐步上升趨勢。在如此高的環(huán)境溫度下，對于螺栓材料的耐高溫性能具有特殊的要求。本文對雙頭螺柱在汽油發(fā)動機缸蓋與排氣歧管及缸蓋與增壓器間的連接應用這1課題進行專題討論。

1 應用評判

根據(jù)行業(yè)內(nèi)實際應用的情況，將雙頭螺柱在實際使用過程中無脫落、無斷裂，密封墊片無漏氣現(xiàn)象等，將其定義為雙頭螺柱/螺栓未產(chǎn)生失效的判定標準。如僅為試驗或使用后力矩衰減，但未導致上述失效產(chǎn)生，原則上不會將其定義為螺柱/螺栓失效。

2 應用環(huán)境分析

經(jīng)過對比各平臺機型的仿真分析及實際結(jié)果，排氣歧管表面溫度最高約800 ℃，但在缸蓋與增壓器/排氣歧管連接處，耐熱螺栓/雙頭螺柱溫度場分布卻在300 ℃以下，這主要得益于缸蓋水套的冷卻效果。受缸蓋水道內(nèi)的冷卻液影響，一般缸蓋處法蘭部分溫度約110 ℃(與冷卻液溫度大致相當)。圖1為增壓器安裝螺栓/雙頭螺柱溫度分布示意圖。不同于增壓器與后處理連接處的高溫區(qū)域，缸蓋法蘭處得益于冷卻系統(tǒng)的影響，溫度場大幅改善。此結(jié)果為缸蓋連接處耐熱雙頭螺柱的材料選型提供了強有力的理論基礎(chǔ)。

圖1 增壓器安裝螺栓/雙頭螺柱溫度分布示意圖

如上分析，在螺栓的選材方面，可以充分地考慮成本因素，在高溫合金剛中選取低成本滿足性能要求的材料，甚至選擇成本更具優(yōu)勢的普通合金鋼作為替代品。表1為不同項目采用計算機輔助工程(CAE)進行仿真計算后的溫度分布結(jié)果。

3 力學性能對比

在試驗條件下，取常用的GH2132、SNB16及SCM435 3種材質(zhì)作為橫向?qū)Ρ取?種材料的成本由高到低依次為：GH2132、SNB16、SCM435。在不同溫度下，測試抗拉性能與屈服性能對測試結(jié)果進行匯總對比，力學性能曲線如圖2所示。

表1 不同項目CAE仿真計算溫度分布結(jié)果

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，在520 ℃以下，SCM435的材料力學性能優(yōu)于SNB16，但從性能的變化范圍考慮，SNB16相同條件下變化范圍更小，穩(wěn)定性更具優(yōu)勢。在溫度為500 ℃以上，GH2132的抗拉強度能保持較好的穩(wěn)定性，體現(xiàn)出高溫合金鋼的材料性能優(yōu)勢。經(jīng)綜合對比，缸蓋與增壓器、缸蓋與排氣法蘭連接處，材料選擇優(yōu)先推薦SCM435，材料成分的差異見表2。

圖2 高溫條件下材料性能對比曲線(樣本統(tǒng)一取M10×1.5螺柱/螺栓進行測試，夾緊長度35～45 mm)

表2 耐熱材質(zhì)的成分分析

此外，對于增壓器連接后處理位置等溫度超過500 ℃及以上的高溫區(qū)域，需按照實際溫度場邊界選用合適的螺栓/螺柱材質(zhì)。常用的高溫合金鋼材質(zhì)及參考標準見表3。

表3 推薦常用 耐熱合金鋼類型及參考標準

4 試驗結(jié)果對比

目前，某主機廠幾大平臺缸蓋連接增壓器、排氣歧管處的雙頭螺柱采用的材料是SNB16與SCM435。這2種材料在不同平臺的搭載，經(jīng)研發(fā)過程耐久試驗及批量市場驗證均滿足設(shè)計要求，雙頭螺柱均無斷裂、脫落或墊片漏氣等相關(guān)失效情況產(chǎn)生。

圖3 某機型螺栓/雙頭螺柱的分布示意圖

5 實際對標分析

為確保實際應用的可行性，研發(fā)人員選取了行業(yè)內(nèi)主流同類產(chǎn)品進行測試對標。所選取樣品均為缸蓋排氣側(cè)安裝雙頭螺柱，用途為增壓器或排氣歧管處的連接。通過對樣品材質(zhì)進行理化分析檢測，并對照金屬分析表可得出相關(guān)樣品的材料牌號，詳見表5。經(jīng)對比可知，在采集的9個樣品中， GH2132材料為3款，SCM435材料為3款，SWRCH35K(Cr<0.3%，碳鋼)材料為3款。高溫合金鋼(GH2132)占比僅33.3%，符合分析理論。

表4 某機型SNB16改SCM453材料耐久測試結(jié)果

表5 各大主機廠主流機型排氣側(cè)雙頭螺柱成分鑒定結(jié)果

針對上述材料的分析對比，本著工程化、成本考慮，缸蓋連接增壓器、排氣歧管處的雙頭螺柱已逐步采用SCM435進行平臺間通用化設(shè)計開發(fā)及驗證。其中，某機型缸蓋與增壓器連接處采用SCM435材料替代原有的SNB16材料(固定方式為2個耐熱雙頭螺柱和2個耐熱螺栓)，預計單臺發(fā)動機可實現(xiàn)材料降本2元左右。經(jīng)耐久試驗后拆解評審，排氣墊片無漏氣現(xiàn)象，各雙頭螺柱配合螺母的力矩記錄見表4，螺栓分布的示意見圖3。經(jīng)對比分析可知，SCM435材質(zhì)雙頭螺柱同樣滿足該機型缸蓋連接增壓器處的密封要求。

6 結(jié)語

排氣系統(tǒng)螺栓力矩衰減、墊片漏氣是常見的失效模式，但隨著近些年缸蓋集成排氣歧管技術(shù)的流行，間接規(guī)避、改善了以往排氣墊片固定螺栓苛刻的高溫條件。在實際的應用開發(fā)中，可根據(jù)缸蓋連接處的溫度場，充分利用缸蓋水套的冷卻收益，來降低耐熱雙頭螺柱/螺栓選用材料的耐熱等級，以達到降低成本的目的。根據(jù)缸蓋連接增壓器/排氣歧管的應用分析，結(jié)合成本收益，優(yōu)先推薦SCM435材質(zhì)。本文通過實際分析及對標舉例的說明，同時為排氣系統(tǒng)其他連接位置的耐熱螺栓、雙頭螺柱的材料選型提供了參考。實際應結(jié)合發(fā)動機臺架耐久試驗及整車動力總成耐久試驗，本文盡可能地模擬了客戶實際的用車工況，并進行充分的設(shè)計驗證。本文所列舉的各種材質(zhì)，為各主流發(fā)動機廠常用的耐熱螺栓選用材質(zhì)，不僅為設(shè)計選型初期提供參考，同時也可為耐熱螺栓的平臺化、通用化，提供了理論支撐。