曲軸皮帶輪螺栓強度校核

莫家駒 梅夏 韋善景 黃振華 穆建華 高樹亮

關(guān)鍵詞：曲軸皮帶輪;螺栓;強度;安全系數(shù)

0 引言

發(fā)動機運行過程中，曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪是通過它們之間的接觸面摩擦力進行力矩的傳遞，進而帶動曲軸前端的一系列輪系進行轉(zhuǎn)動。曲軸皮帶輪螺栓作為連接曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪的緊固件，其強度對曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪的有效連接起著至關(guān)重要的作用[1]。若曲軸皮帶輪螺栓提供的夾緊力在曲軸和皮帶輪及曲軸鏈輪之間形成的摩擦力矩，不足以傳遞它們之間的相對轉(zhuǎn)動力矩，則曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪之間會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，從而造成發(fā)動機運行失效。因此對曲軸皮帶輪螺栓的強度進行校核，是發(fā)動機前期開發(fā)必不可少的一個環(huán)節(jié)。

本文以某型號發(fā)動機為例，說明曲軸皮帶輪螺栓的校核過程。曲軸皮帶輪螺栓規(guī)格如表1所示。

1 發(fā)動機前端負載分析

發(fā)動機前端負載包括發(fā)電機驅(qū)動扭矩、水泵驅(qū)動扭矩、機油泵驅(qū)動扭矩、進排凸輪軸驅(qū)動扭矩、真空泵驅(qū)動扭矩、空調(diào)壓縮機驅(qū)動扭矩和曲軸前端扭振力矩等。其中，發(fā)電機、水泵和空調(diào)壓縮機的驅(qū)動扭矩通過皮帶傳遞到曲軸皮帶輪上。真空泵和進排氣凸輪軸的驅(qū)動扭矩通過鏈條傳遞，與直接通過機油泵轉(zhuǎn)子傳遞的機油泵驅(qū)動扭矩一起傳遞到曲軸鏈輪上。由于曲軸系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生扭振，因而曲軸前端會產(chǎn)生附加的扭振力矩。

在發(fā)動機運行過程中，隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同，上述各輪系的負載變化也不相同。因此需要逐一轉(zhuǎn)化各輪系的驅(qū)動扭矩到相同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下進行疊加，才能得到隨曲軸轉(zhuǎn)速的發(fā)動機前端需要傳遞的最大扭矩。

因而，也產(chǎn)生了3個摩擦接觸面（圖2），從左到右依次為：曲軸皮帶輪螺栓頭底面與曲軸皮帶輪摩擦面，曲軸皮帶輪與曲軸鏈輪摩擦面，以及曲軸鏈輪與曲軸摩擦面。這3個摩擦接觸面都是端面接觸。

2 發(fā)動機前端負載疊加計算

各輪系部件隨各自轉(zhuǎn)速的驅(qū)動扭矩，需要轉(zhuǎn)化為隨曲軸轉(zhuǎn)速變化的扭矩，才能進行疊加計算。下面以水泵皮帶輪為例，說明轉(zhuǎn)化的過程。

水泵轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系為：

同理，可得各輪系部件轉(zhuǎn)化成曲軸的轉(zhuǎn)速。將曲軸轉(zhuǎn)速下的各輪系部件扭矩對應(yīng)相加，得到曲軸前端的總扭矩（表2）。

將各輪系部件隨曲軸轉(zhuǎn)速的驅(qū)動扭矩和曲軸前端扭振力矩曲線畫在同一坐標內(nèi)，橫坐標為曲軸轉(zhuǎn)速，縱坐標為各輪系部件的扭矩和總扭矩（圖2）。

從圖2可以看出，總扭矩最大值Tmax 為198Nm，發(fā)生在曲軸轉(zhuǎn)速4000r/min 的時候，且曲軸前端扭振力矩遠大于其他輪系的驅(qū)動扭矩。因此，最有可能發(fā)生滑動的摩擦面是曲軸鏈輪與曲軸接觸的端面。

3曲軸皮帶輪螺栓夾緊力計算

由于曲軸皮帶輪螺栓采用屈服擰緊，所以其產(chǎn)生的夾緊力計算如下：

4摩擦力矩計算

由前文可知，最有可能發(fā)生滑動的摩擦面是曲軸鏈輪與曲軸接觸的端面。因此，應(yīng)該校核該端面能否提供足夠大的摩擦力矩。

由曲軸皮帶輪螺栓夾緊力作用在曲軸鏈輪和曲軸摩擦接觸面上產(chǎn)生的摩擦力矩計算如下：

5比較摩擦力矩與最大力矩

從上述分析計算可知，由曲軸皮帶輪螺栓夾緊力作用在曲軸鏈輪和曲軸摩擦接觸面產(chǎn)生的摩擦力矩T，大于曲軸前端的最大扭矩Tmax。它們的比值稱為該螺栓的安全系數(shù)：

若規(guī)定曲軸皮帶輪螺栓的安全系數(shù)評價標準為大于1.2，則該螺栓的安全系數(shù)S 小于1.2。因此該曲軸皮帶輪螺栓的強度不符合評價標準，即該螺栓強度不滿足設(shè)計要求。應(yīng)通過適當?shù)膬?yōu)化措施，以提高螺栓的安全系數(shù)。

6 優(yōu)化措施

從公式（2）、（5）和（6）可以看出，優(yōu)化措施可以考慮從以下幾個方面入手：增大螺栓直徑（應(yīng)力截面積增大）;增大曲軸鏈輪與曲軸接觸面有效半徑;減小曲軸前端總扭矩。

由于曲軸前端總扭矩的構(gòu)成中，曲軸前端扭振力矩占了絕大比例。但一般發(fā)動機性能目標及曲軸系統(tǒng)確定后，曲軸扭振力矩所能降低幅度有限。因此，減小曲軸前端總扭矩這個措施不是最理想的。

通過觀察公式（5）可以看出，通過更改曲軸鏈輪與曲軸接觸面的半徑，對于提高摩擦面的有效半徑效果不是很明顯。所以提高曲軸鏈輪與曲軸接觸面有效半徑這個措施也不是很理想。

從公式（2）可以看出，通過增大螺栓直徑（應(yīng)力截面積）的方法，能較大幅度地提高螺栓夾緊力，從而形成較大的摩擦力矩。增大的曲軸皮帶輪螺栓規(guī)格如表3所示。

查表可得，規(guī)格為M14×1.5的螺栓的應(yīng)力截面積為125.0mm2。

所以，其夾緊力為：

F=0.85×940×125=99 875 N

曲軸鏈輪與曲軸之間產(chǎn)生的摩擦力矩為：

所以，新的螺栓強度滿足設(shè)計要求。

7 結(jié)束語

本文從最有可能發(fā)生滑動的接觸面（曲軸鏈輪與曲軸摩擦接觸端面）入手，分析并計算出了某型號發(fā)動機的曲軸皮帶輪螺栓M12×1.5在屈服擰緊的情況下，提供的摩擦力矩小于1.2倍的曲軸前端總扭矩，得出該螺栓強度不滿足設(shè)計要求。通過提高螺栓直徑的方法后，螺栓強度得以滿足設(shè)計要求。