螺栓預(yù)緊力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋疲勞特性的影響

唐 泉

(廣西嘉德機(jī)械股份有限公司，廣西 玉林 537000)

1概述

1.1螺栓預(yù)緊力

螺栓是連接螺紋的零件，是最常用最基礎(chǔ)的零件之一，在使用的時(shí)候必須要擰緊，才可以承載工作負(fù)荷，在載荷之前預(yù)先受到的力的作用，就是預(yù)緊力，預(yù)緊的目的就是為了連接更加可靠，以防出現(xiàn)松弛或者斷裂的現(xiàn)象。

1.2汽缸蓋

缸墊座位于汽缸體和汽缸蓋之間，作用是密封和隔離，如果汽缸蓋因?yàn)槠谠斐伤沙诘痊F(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致冷卻液進(jìn)入汽缸內(nèi)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。

汽缸蓋的密封功能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)情況有很大的影響。當(dāng)汽缸蓋密封不嚴(yán)時(shí)，汽缸就會(huì)走漏，導(dǎo)致汽缸緊縮，壓力缺乏，溫度下降，空氣質(zhì)量下降。當(dāng)汽缸走漏嚴(yán)峻時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率會(huì)顯著下降，甚至不能作業(yè)。因此，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)功率下降缺點(diǎn)，除了查找影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降的相關(guān)原因外，還需要檢查汽缸蓋的密封功能是否杰出。

汽缸蓋螺栓的預(yù)緊力有一個(gè)固定的理想值，可以保證那個(gè)汽缸蓋最大限度地使用，但是，若預(yù)緊力沒有達(dá)到預(yù)期值，螺栓松動(dòng)引起的震動(dòng)將使汽缸墊磨損更加嚴(yán)重、使用期限縮短。假設(shè)聯(lián)接螺栓太松，汽缸蓋相對(duì)于汽缸體的跳動(dòng)量會(huì)增加；假設(shè)聯(lián)接螺栓擰緊過緊，會(huì)導(dǎo)致聯(lián)接螺栓的應(yīng)力逾越其屈服強(qiáng)度極限，然后導(dǎo)致聯(lián)接螺栓的伸長(zhǎng)逾越其規(guī)劃公差，這也會(huì)導(dǎo)致汽缸蓋跳動(dòng)量增加，加速汽缸蓋墊片的磨損。所以需要對(duì)預(yù)緊力做出正確的計(jì)算，考慮諸多因素引起的誤差，減少實(shí)際預(yù)緊力與理想值的差距。

2螺栓預(yù)緊力分析

2.1影響螺栓預(yù)緊力的幾個(gè)因素

在螺栓裝配工作中，“扭矩”“預(yù)緊力”“摩擦力”這3個(gè)專業(yè)術(shù)語是很重要的。

此外，預(yù)緊力雖然可以提高螺栓連接的可靠性，防止螺栓松弛，但是物極必反，若是預(yù)緊力太高也會(huì)導(dǎo)致連接松弛不可靠等現(xiàn)象的發(fā)生，所以，需要正確計(jì)算螺栓的預(yù)緊力，預(yù)緊力有一個(gè)相關(guān)系數(shù)，成為預(yù)緊力矩，與擰緊力系數(shù)、螺紋公稱直徑和預(yù)緊力相關(guān)，都是影響螺栓連接的因素。

螺栓的屬性可以與彈簧相比較。當(dāng)彈簧被拉伸時(shí)，有一個(gè)反作用力試圖將其拉回到其最初的形狀。該力被稱為夾緊力或預(yù)緊力。螺栓是有彈性的，當(dāng)受到的力越來越大時(shí)會(huì)變長(zhǎng)。只要這個(gè)力小于屈服點(diǎn)，當(dāng)力減小時(shí)螺栓就會(huì)回復(fù)到其初始形狀。當(dāng)螺栓擰緊時(shí)，施加扭矩。扭矩是垂直于杠桿臂施加并引起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力。所以施加正確的扭矩對(duì)于確保正確的夾緊力和安全的螺栓連接至關(guān)重要。

預(yù)緊螺栓的主要方法之一是在其頭部施加扭矩。這是業(yè)界非常普遍的做法，但要精確控制并不容易。當(dāng)螺栓向下旋緊時(shí)，旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作會(huì)轉(zhuǎn)變成線性的作用，使螺栓被拉伸，同時(shí)連接部件被壓縮。但是扭矩中只有很少一部分轉(zhuǎn)變成了有效的預(yù)緊螺栓的力。大部分的扭矩都作用在了克服螺栓旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力上。摩擦產(chǎn)生于兩個(gè)接觸表面：在轉(zhuǎn)動(dòng)部件和夾緊部件之間(通常在螺栓頭下方或螺母下方)以及螺紋當(dāng)中。這意味著有效轉(zhuǎn)換成預(yù)緊力的扭矩只是相當(dāng)小一部分，通過扭矩/拉伸測(cè)試可以算出兩個(gè)接觸面間的摩擦系數(shù)。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)通常只有10%的扭矩作用在了預(yù)緊力上，其余都用來克服摩擦力而抵消。

例如，50%的輸入扭矩用于克服螺栓頭下表面的摩擦力，40%的輸入扭矩用于克服螺紋間的摩擦力，因此，扭矩上緊法并不是非常高效。但是可以通過使用潤(rùn)滑劑來增加扭矩的轉(zhuǎn)換率。使用潤(rùn)滑劑可以有效降低摩擦力，在相同的預(yù)緊力值目標(biāo)下，使用潤(rùn)滑劑比不使用潤(rùn)滑劑，扭矩值更小。

但是因?yàn)槟Σ料禂?shù)會(huì)有一定的變化，會(huì)導(dǎo)致再進(jìn)行預(yù)緊力的計(jì)算時(shí)產(chǎn)生一定的誤差，所以需要提供一些工具來減少摩擦力的產(chǎn)生，例如使用潤(rùn)滑劑、面漆等工具，或者使用特定摩擦系數(shù)的螺栓可以降低誤差，計(jì)算出更接近實(shí)際值的預(yù)緊力。

以下圖為例：

上圖中的零件在施加正壓力F前，螺栓副已經(jīng)按照預(yù)緊力要求控制力矩安裝好了，此時(shí)螺栓和零件1都有應(yīng)變(螺栓沿F方向被拉長(zhǎng)，零件1沿F方向被壓短)，同時(shí)因預(yù)緊力的緣故，a面上因預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力能夠保證零件在側(cè)向力N的作用下不移動(dòng)。施加一個(gè)逐漸增大的正壓力F，此時(shí)：

(1)F小于所有螺栓副預(yù)緊力之和時(shí)，螺栓的變形量減小，零件1的變形量增大，但a面上的正壓力不變，a面上的摩擦力能夠保證零件在側(cè)向力N的作用下不移動(dòng);(2)F等于所有螺栓副預(yù)緊力之和時(shí)，螺栓正好恢復(fù)到不受力的狀態(tài)，零件1的變形量增大，a面上的正壓力不變，a面上的摩擦力能夠保證零件在側(cè)向力N的作用下不移動(dòng);(3)F大于所有螺栓副預(yù)緊力之和時(shí)，螺栓為不受力的狀態(tài)，零件1的變形繼續(xù)量增大，a面上的正壓力比零件在施加正壓力F前大，a面上的摩擦力能夠保證零件在側(cè)向力N的作用下不移動(dòng);(4)F大于零件1的屈服極限，零件1被壓潰。

綜上所述，受壓時(shí)，保證螺栓的規(guī)定預(yù)緊力就足夠了。

3結(jié)語

發(fā)動(dòng)機(jī)是推動(dòng)機(jī)械進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)受到影響小，則影響機(jī)器的正常運(yùn)作，大則容易對(duì)周遭人員造成安全威脅。汽缸蓋則是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的一種保護(hù)機(jī)制，但是由于工作環(huán)境的影響，汽缸蓋很容易疲勞受到損毀，但是可靠的螺栓可以加長(zhǎng)汽缸蓋的使用壽命，所以螺栓的使用壽命很重要。控制好螺栓的預(yù)緊力可以提高連接的可靠性，增強(qiáng)連接的緊密性和剛度。