某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

代超群 姚強(qiáng) 杜安用 江琳琳 鄭雪茹

摘? 要：本文介紹一種柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的某些參數(shù)，可以初步計(jì)算螺栓的軸向力。根據(jù)螺栓的擰緊曲線可以確定螺栓的擰緊工藝。經(jīng)過(guò)系列的試驗(yàn)驗(yàn)證，可以判斷螺栓的可靠性。

關(guān)鍵詞：缸蓋螺栓;軸向力;擰緊工藝;可靠性

中圖分類號(hào)：U464.149? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）04-0052-05

Abstract： This paper introduces a design method of cylinder head bolt for diesel engine. The axial force of the bolt can be calculated preliminarily by some parameters of the engine. The tightening process of bolts can be determined according to the tightening curve of bolts. The reliability of bolts can be judged by series tests.

我們介紹一種快速高效的缸蓋螺栓開(kāi)發(fā)方法，首先通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力、缸孔直徑和螺栓的分布計(jì)算出螺栓的軸向力，根據(jù)軸向力選擇合理的螺栓規(guī)格和機(jī)械性能等級(jí)。然后根據(jù)實(shí)際螺栓的擰緊曲線確定螺栓的擰緊工藝。最后根據(jù)螺栓的疲勞性能以及發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔變形量和耐久表現(xiàn)判斷缸蓋螺栓的可靠性。

1? ? 缸蓋螺栓的設(shè)計(jì)

1.1? ?螺栓軸向力計(jì)算

某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1：

1.2? ?螺栓的規(guī)格確定

缸蓋螺栓的擰緊分為彈性區(qū)擰緊和塑性區(qū)擰緊，我們一般選擇塑性區(qū)擰緊，在后面擰緊方式的確定中會(huì)說(shuō)明選擇的理由。高強(qiáng)度螺栓都沒(méi)有明顯的下屈服點(diǎn)，一般將螺栓的機(jī)械加工試樣規(guī)定非比例伸長(zhǎng)0.2%的應(yīng)力作為其下屈服強(qiáng)度。根據(jù)螺栓的公稱應(yīng)力截面積As和機(jī)械加工試樣規(guī)定非比例伸長(zhǎng)0.2%的應(yīng)力Rp0.2計(jì)算到達(dá)下屈服點(diǎn)的軸向力F1：

由表2我們初步選擇M12×1.5的12.9級(jí)螺栓，選擇國(guó)內(nèi)常用于生產(chǎn)12.9級(jí)螺栓的材料SCM440。

1.3? ?擰緊方式的選擇

1.3.1 擰緊區(qū)域的確定

按照缸蓋螺栓擰緊后達(dá)到的區(qū)域分為彈性區(qū)域擰緊和塑性區(qū)域擰緊。相比彈性區(qū)域擰緊，塑性區(qū)域擰緊能夠更加充分發(fā)揮螺栓的性能。由圖2可知螺栓進(jìn)入塑性區(qū)域后，螺栓伸長(zhǎng)量的變化對(duì)軸向力影響較小，最大程度的降低了轉(zhuǎn)角誤差對(duì)軸向力的影響，使最終的軸向力更加穩(wěn)定。

圖2中F1為下屈服點(diǎn)，F(xiàn)2為最大軸向力點(diǎn)，F(xiàn)3為螺栓斷裂點(diǎn)。在F1和Fmin中取大值，在F2和Fmax中取小值，兩者之間的區(qū)域則是螺栓的合理擰緊區(qū)。

螺栓擰緊過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，設(shè)備無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺栓的伸長(zhǎng)量。根據(jù)實(shí)時(shí)擰緊的軸向力曲線可以判斷合理擰緊區(qū)域，該缸蓋螺栓隨時(shí)間擰緊的軸向力曲線如圖3。

該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓合理擰緊區(qū)域?yàn)?1.8kN-103.9kN。

1.3.2 擰緊方式的計(jì)算

按照螺栓的擰緊方式可以將螺栓擰緊分為扭矩法和轉(zhuǎn)角法。

扭矩法是通過(guò)控制擰緊過(guò)程中的扭矩保證軸向力，而扭矩受摩擦副摩擦系數(shù)的影響較大，缸蓋貼合面的質(zhì)量、缸體貼合面的質(zhì)量和螺紋孔的精度等因素都會(huì)影響扭矩，而且這些因素也很難保證。圖3是該缸蓋螺栓的軸向力和扭矩的關(guān)系圖，例如在120Nm的扭矩作用下產(chǎn)生的軸向力分布在70-90kN，散差太大，扭矩法很難保證螺栓軸向力分布在合理擰緊區(qū)，因此這種擰緊方式不適合缸蓋螺栓。

轉(zhuǎn)角法是用一個(gè)初始扭矩預(yù)緊螺栓，然后通過(guò)控制螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來(lái)獲得軸向力。根據(jù)材料力學(xué)，在螺栓規(guī)格、材料及機(jī)械性能等級(jí)不變的情況下，螺栓的軸向力只與螺栓的伸長(zhǎng)量相關(guān)。初始力矩保證螺栓完全貼合，轉(zhuǎn)角過(guò)程中的360°則對(duì)應(yīng)一個(gè)螺距P，因此這種擰緊方式獲得軸向力理論上更加精確、穩(wěn)定。

根據(jù)圖5，取240°為最終轉(zhuǎn)角，該缸蓋螺栓的擰緊工藝暫定為45Nm+240°。

2? ? 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1? ?疲勞試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

加載不對(duì)稱拉伸循環(huán)應(yīng)力載荷，持續(xù)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，直至試件破裂。評(píng)估循環(huán)次數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 試驗(yàn)條件

缸蓋螺栓試樣數(shù)量：n≥5。

試驗(yàn)設(shè)備：試驗(yàn)螺母（如圖6所示）;試驗(yàn)夾具。

疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)需滿足以下要求：

1.試驗(yàn)機(jī)能夠加載不對(duì)稱拉伸循環(huán)應(yīng)力型式、波形為正弦曲線的載荷，見(jiàn)圖7：

2.試驗(yàn)機(jī)能按設(shè)定載荷迅速加載，且保證在試驗(yàn)過(guò)程中精度在2%載荷之內(nèi);

3.試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)頻率在4.2～250Hz范圍內(nèi);

4.試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)記錄到試驗(yàn)件破裂的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù);

5.試驗(yàn)機(jī)的彎曲正應(yīng)力低于平均應(yīng)力的6%，見(jiàn)圖8。

2.1.3 試驗(yàn)方法

將圖6所示的試驗(yàn)螺母涂敷潤(rùn)滑油并將其安裝到圖9所示的試件上。按規(guī)定的載荷加載，記錄試件破裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

2.1.4 試驗(yàn)評(píng)價(jià)

試件破裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)應(yīng)滿足表3的重復(fù)次數(shù)。

該缸蓋螺栓的疲勞試驗(yàn)報(bào)告如圖10。

由圖10得知該缸蓋螺栓的疲勞試驗(yàn)表現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)要求

2.2? ?缸孔變形量測(cè)試

缸蓋螺栓的軸向力過(guò)大會(huì)影響缸孔變形嚴(yán)重，一般要求缸蓋螺栓裝配前后的缸孔變形量不得超過(guò)25μm。測(cè)試缸孔直徑應(yīng)按照?qǐng)D11進(jìn)行，選取7個(gè)截面的4個(gè)方向作為測(cè)試位置。

發(fā)動(dòng)機(jī)組裝前按照要求測(cè)試缸孔直徑，按照45Nm+240°擰緊缸體缸蓋后再測(cè)試缸孔直徑。計(jì)算前后直徑的變化量。該發(fā)動(dòng)機(jī)組裝前缸孔尺寸要求是是φ85.009±0.015mm，環(huán)規(guī)對(duì)表尺寸為85.998mm。用環(huán)規(guī)測(cè)試偏差值，單位μm。以某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的2缸為例，兩次測(cè)試偏差數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

選取5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)試4個(gè)缸孔變形數(shù)據(jù)，計(jì)算前后變形量，統(tǒng)計(jì)各缸孔最大變形量，見(jiàn)圖12。

根據(jù)圖12，該發(fā)動(dòng)機(jī)按照45Nm+240°擰緊后，5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸孔最大變形量為23μm滿足要求。

2.3? ?耐久后軸向力衰減測(cè)試

發(fā)動(dòng)機(jī)耐久表現(xiàn)是評(píng)價(jià)缸蓋螺栓可靠性的重要指標(biāo)，要求在耐久前后缸蓋螺栓無(wú)斷裂且軸向力衰減不得超過(guò)40%，評(píng)價(jià)項(xiàng)目必須包括振動(dòng)超高速耐久和冷熱沖擊試驗(yàn)。該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)完成耐久試驗(yàn)后測(cè)試軸向力數(shù)據(jù)，如下表5。

該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓耐久后無(wú)斷裂，在耐久后的軸向力衰減不超過(guò)40%，滿足設(shè)計(jì)要求。

3? ? 結(jié)論

由上述可知，該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓規(guī)格是M12×1.5的12.9級(jí)螺栓，材料為SCM440，擰緊工藝為45Nm+240°。

參考文獻(xiàn)：

[1]張瓊敏.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓擰緊工藝研究[J].2003年汽車科技，2003-2.

[2]劉惟信.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.