基于擰緊工藝的發(fā)動機(jī)曲軸皮帶輪螺栓連接優(yōu)化分析

李標(biāo)，潘蘭濤

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

0 引言

曲軸皮帶輪螺栓是發(fā)動機(jī)五大關(guān)鍵螺栓之一，是曲軸、皮帶輪的關(guān)鍵連接，承載著發(fā)動機(jī)動力傳遞。在實(shí)際工況下，曲軸皮帶輪螺栓受力情況復(fù)雜，從而在其使用過程中常出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或由于擰緊裝配方式不正確而導(dǎo)致連接失效斷裂等問題，嚴(yán)重時可以導(dǎo)致發(fā)動機(jī)發(fā)生故障甚至報(bào)廢。因此，開展發(fā)動機(jī)曲軸皮帶輪螺栓擰緊工藝研究對發(fā)動機(jī)使用的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。

由于發(fā)動機(jī)工況比較復(fù)雜，所以發(fā)動機(jī)大部分螺栓擰緊工藝都采用了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角法以此獲取更穩(wěn)定的夾緊力。對于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角法，有不少學(xué)者作了多方面的研究。湯春球等[1]通過路試驗(yàn)證了轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角法的優(yōu)勢，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角法得到的預(yù)緊力較高，且在路試過程中預(yù)緊力衰減較少。聶曉東等[2]在星形擰緊工藝、分塊擰緊工藝上作了研究，也達(dá)到了較好的螺栓預(yù)緊效果。孫貴青等[3]以發(fā)動機(jī)低壓渦輪盤軸的關(guān)鍵連接為對象，將傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩法和先進(jìn)的轉(zhuǎn)角法相結(jié)合，監(jiān)測調(diào)整螺母的轉(zhuǎn)動角度，保證了預(yù)緊力的準(zhǔn)確控制和連接剛度的均勻一致。在發(fā)動機(jī)螺栓所受復(fù)雜載荷方面，解慧、劉文光、惠燁、王傳華等[4-7]研究了螺栓松動受預(yù)緊力及外力載荷的影響規(guī)律。

在此基礎(chǔ)上，本文以某型號發(fā)動機(jī)曲軸皮帶輪螺栓失效斷裂作螺栓斷口分析，對曲軸皮帶輪螺栓軸力及監(jiān)控方式進(jìn)行理論計(jì)算和驗(yàn)證，并設(shè)定橫向振動試驗(yàn)驗(yàn)證螺栓在不同夾緊力下松動(軸力衰減)情況，尋求其衰減規(guī)律，同時做實(shí)物裝配試驗(yàn)，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果及裝配方法，以此優(yōu)化曲軸皮帶輪螺栓擰緊工藝。

1 曲軸皮帶輪螺栓斷裂分析

圖1為螺栓斷口電鏡分析圖；圖2為腐蝕后螺栓牙邊緣金相組織圖；表1為螺栓硬度檢測數(shù)據(jù)。

圖1 螺栓斷口電鏡分析

圖2 螺栓牙邊緣金相組織(腐蝕后)50X螺栓中心金相組織(腐蝕后)400X

表1 螺栓洛氏硬度HRC檢測數(shù)據(jù)

由圖1可知，曲軸皮帶輪螺栓受異常外力局部撕裂形成裂紋源，繼而發(fā)生疲勞斷裂。由圖2可知，螺栓的螺牙未發(fā)現(xiàn)脫碳，螺栓中心組織為回火索氏體，螺栓的金相組織合格。由表1可知，螺栓硬度檢測合格。由以上可判斷螺栓受到異常外力作用致使螺栓產(chǎn)生裂紋源，繼而發(fā)生疲勞斷裂，故針對曲軸皮帶輪螺栓松動故障作擰緊工藝分析。

2 螺栓軸力及擰緊轉(zhuǎn)角理論計(jì)算

故障曲軸皮帶輪螺栓擰緊工藝為扭力+轉(zhuǎn)角，實(shí)際裝配工藝為100N·m+70°。基于此對螺栓軸力及擰緊轉(zhuǎn)角進(jìn)行理論計(jì)算。

2.1 屈服點(diǎn)的軸力

(1)

式中：Ffy為夾緊力；σy為屈服強(qiáng)度；As為螺紋的應(yīng)力截面積；d0為螺紋的公稱應(yīng)力截面積等效直徑；p為螺距；d2為螺紋中徑；μs為摩擦系數(shù)；α′為螺紋牙側(cè)角。

將實(shí)測屈服強(qiáng)度結(jié)果：1 150～1 178MPa，摩擦系數(shù)實(shí)測平均值0.139，螺栓規(guī)格M14×1.5-6h代入公式(1)，可得到屈服點(diǎn)的軸力為Ffy為125～144kN，符合≥110kN的設(shè)計(jì)需求。

2.2 轉(zhuǎn)角計(jì)算

(2)

圖3 軸力與轉(zhuǎn)角曲線圖

其中：θfA為緊固轉(zhuǎn)角；θfy為屈服點(diǎn)緊固轉(zhuǎn)角；θfu為最大緊固轉(zhuǎn)角；Ffy為目標(biāo)緊固軸力；Tfs為初始轉(zhuǎn)矩；km為平均轉(zhuǎn)矩系數(shù)；δb為螺栓變形系數(shù)(柔度)；δc為配件變形系數(shù)(柔度)；p為螺距；d為公稱直徑。

已知Ffy=110kN，初始轉(zhuǎn)矩Tfs=100N·m，螺距p=1.5。

1)由摩擦系數(shù) 0.10～0.16計(jì)算得知轉(zhuǎn)矩系數(shù)為0.174～0.268，km=0.222。

2)根據(jù)提供的螺栓連接方式，計(jì)算得

δb=2.6×10-3mm/N，δc=1.5×10-4mm/N。

根據(jù)式(2)計(jì)算得θfA=90°，即轉(zhuǎn)矩+轉(zhuǎn)角裝配方法為100N·m+90°。

相應(yīng)監(jiān)控窗口為：290～500N·m(屈服強(qiáng)度按照1 100-1 200MPa計(jì)算)。

3 螺栓松動實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

曲軸皮帶輪螺栓連接為剛性連接，一般情況下，其靜態(tài)扭力及軸力衰減較小，但由于曲軸皮帶輪螺栓工況復(fù)雜，實(shí)際軸力衰減可能會較大，若擰緊工藝不合理會導(dǎo)致連接失效斷裂等問題，故設(shè)計(jì)螺栓橫向振動實(shí)驗(yàn)(橫向振動加速軸力衰減)，驗(yàn)證螺栓在不同夾緊力下松動(軸力衰減)情況，尋求其衰減規(guī)律以及實(shí)物裝配實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果及裝配方法。圖4及表2為實(shí)驗(yàn)過程曲軸皮帶輪螺栓裝配示意圖及相關(guān)參數(shù)名稱。

圖4 曲軸皮帶輪螺栓連接示意圖

表2 軸皮帶輪螺栓裝配相關(guān)參數(shù)

3.1 橫向振動實(shí)驗(yàn)

目的：通過橫向振動實(shí)驗(yàn)加速軸力衰減，驗(yàn)證螺栓在不同夾緊力下松動(軸力衰減)情況，尋求其衰減規(guī)律。

方案：按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 10431—2008 緊固件橫向振動試驗(yàn)方法》分別在夾緊力90kN、110kN、130kN下進(jìn)行橫向振動試驗(yàn)，各取10件樣品。

試驗(yàn)條件：橫向震動試驗(yàn)機(jī)，自由狀態(tài)下振幅±1mm，頻率12.5Hz，循環(huán)周期3000次。

結(jié)果輸出：螺栓軸力衰減與振動周期的關(guān)系。

3.2 實(shí)物裝配實(shí)驗(yàn)

目的：驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果及裝配方法。

方案：在實(shí)際對手件上進(jìn)行擰緊試驗(yàn)，檢測按理論計(jì)算的裝配方法擰緊后初始軸力是否符合計(jì)算要求。

試驗(yàn)條件：軸力試驗(yàn)機(jī)，實(shí)物狀態(tài)擰緊。

結(jié)果輸出：擰緊后的轉(zhuǎn)矩、夾緊力、角度及相關(guān)曲線。

3.3 測試結(jié)果與分析

a)橫向振動實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1)初始軸力90kN

振動周期：100次，12.5次/s，即 100/12.5=8s，其他類推。軸力衰減與振動周期關(guān)系如表3-表4所示，軸力與振動周期曲線如圖5所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。

表3 初始軸力90 kN下軸力衰減與振動周期(100次、200次)關(guān)系

表4 初始軸力90 kN下軸力衰減與振動周期(500次、1500次)關(guān)系

圖5 初始軸力90kN下軸力與振動周期曲線圖

2)初始軸力110kN

軸力衰減與振動周期關(guān)系如表5-表6所示，軸力與振動周期曲線如圖6所示。

表5 初始軸力110 kN下軸力衰減與振動周期(100次、200次)關(guān)系

表6 初始軸力110 kN下軸力衰減與振動周期(500次、1 500次)關(guān)系

圖6 初始軸力110kN下軸力與振動周期曲線圖

3)初始軸力130 kN

軸力衰減與振動周期關(guān)系如表7-表8所示，軸力與振動周期曲線如圖7所示。

表7 初始軸力130 kN下軸力衰減與振動周期(100次、200次)關(guān)系

表8 初始軸力130 kN下軸力衰減與振動周期(500次、1 500次)關(guān)系

圖7 初始軸力130 kN下軸力與振動周期曲線圖

根據(jù)以上橫向振動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

1)初始軸力與殘余軸力呈正比關(guān)系；

2)在受切向載荷情況下，無法完全避免松動，從目前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，沒有準(zhǔn)確得到衰減規(guī)律。

b)實(shí)物裝配實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖8為轉(zhuǎn)矩-角度-軸力關(guān)系圖，表9-表10為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 轉(zhuǎn)矩-角度-軸力關(guān)系圖

表9 轉(zhuǎn)矩與軸力關(guān)系表(擰緊工藝：100N·m+70°)

表10 轉(zhuǎn)矩與軸力關(guān)系表(擰緊工藝：100N·m+90°)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

1)按100N·m+70°擰緊后，螺栓軸力均值為108.3kN，不滿足≥110kN的要求；

2)按100N·m+90°擰緊后，螺栓軸力均值為126.8kN，滿足≥110kN的要求。

根據(jù)橫向振動實(shí)驗(yàn)，初始軸力與殘余軸力呈正比關(guān)系，在受切向載荷情況下，無法完全避免松動。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，沒有準(zhǔn)確得到衰減規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)實(shí)物裝配試驗(yàn)，得出轉(zhuǎn)矩-軸力-轉(zhuǎn)角的關(guān)系，曲軸皮帶輪螺栓最后擰緊工藝優(yōu)化為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角100N·m+90°。

4 結(jié)語

針對發(fā)動機(jī)曲軸皮帶輪螺栓連接失效問題，從螺栓斷口分析其失效機(jī)理，并對擰緊工藝的曲軸皮帶輪螺栓連接優(yōu)化分析。通過對曲軸皮帶輪螺栓軸力及監(jiān)控方式進(jìn)行理論計(jì)算和驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了橫向振動實(shí)驗(yàn)和實(shí)物裝配實(shí)驗(yàn)。橫向振動實(shí)驗(yàn)得出初始軸力與殘余軸力呈正比關(guān)系，但無法準(zhǔn)確得到軸力衰減規(guī)律，進(jìn)而從實(shí)物裝配實(shí)驗(yàn)中尋求轉(zhuǎn)矩-軸力-轉(zhuǎn)角的關(guān)系，以此優(yōu)化最終的擰緊工藝，保證其連接不再發(fā)生松動疲勞失效。后續(xù)將進(jìn)一步增加螺栓涂膠設(shè)計(jì)，重新驗(yàn)證橫向振動實(shí)驗(yàn)，對比衰減率，以此獲取更準(zhǔn)確優(yōu)化的擰緊工藝和螺栓設(shè)計(jì)，為后續(xù)工藝協(xié)同發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。