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    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

    2021-06-22 04:48:04李標(biāo)潘蘭濤
    機(jī)械制造與自動化 2021年3期
    關(guān)鍵詞:皮帶輪曲軸軸力

    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)。

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