曲軸皮帶輪聯(lián)接螺栓的預緊控制策略研究

林莉莉

關(guān)鍵詞：曲軸皮帶輪；螺栓聯(lián)接；預緊力；摩擦系數(shù)；預涂膠

0引言

曲軸皮帶輪螺栓是發(fā)動機重要緊固件，其受力非常復雜，倘若設(shè)計不合理，在使用過程中很容易發(fā)生螺栓斷裂，影響車輛的正常運行。因此，研究發(fā)動機曲軸皮帶輪螺栓的預緊控制策略，是設(shè)計、裝配過程中的重要工作。

由于車輛運行工況比較復雜，很多同行對于車輛螺栓預緊控制都有著深入研究[1-4]。聶曉東在星形擰緊工藝、分塊擰緊工藝上作了研究[5]，達到了較好的螺栓預緊效果。在摩擦系數(shù)方面，武永亮通過螺栓松動機理和試驗證明，隨著摩擦系數(shù)和軸向預緊力的增大[6]，軸向力的衰減率越小，防松性能越好。莫易敏研究得出，控制螺栓的摩擦系數(shù)能有效控制扭矩系數(shù)的穩(wěn)定[7]。李標在基于擰緊工藝的曲軸皮帶輪螺栓連接優(yōu)化分析中，探討裝配方法對連接優(yōu)化影響[8]。

但是，相關(guān)研究對發(fā)動機曲軸皮帶輪螺栓預緊控制尚未有系統(tǒng)研究。本文對某型號發(fā)動機曲軸皮帶輪螺栓失效斷裂作螺栓斷口分析，理論計算確定預緊力控制范圍。同時，通過試驗驗證摩擦系數(shù)和螺栓涂膠控制措施有效性，以此獲得曲軸皮帶輪螺栓預緊控制策略，為曲軸皮帶輪螺栓的設(shè)計提供理論。

1曲軸皮帶輪螺栓斷裂分析

某型號發(fā)動機曲軸皮帶輪螺栓斷裂位置位于螺紋處（圖1），斷口附近沒有縮頸現(xiàn)象。斷口斷面相對平整，斷面可見明顯貝紋花樣。經(jīng)檢測，螺栓金相組織為回火索氏體，是正常調(diào)制工藝組織。螺栓斷口形貌呈彎曲疲勞斷裂特征（圖2）。對螺栓硬度進行檢測，硬度符合設(shè)計要求（表1）。

由以上檢測結(jié)果判斷，引起疲勞斷裂的原因為螺栓連接副處出現(xiàn)松動導致。因此本文針對曲軸皮帶輪螺栓松動做預緊力優(yōu)化分析。

2理論計算

螺栓與配件之間的連接功能，主要依靠軸力實現(xiàn)?；诖?，對系統(tǒng)所需最小預緊力、最大預緊力、螺栓屈服點軸力及裝配方法進行理論計算。

2.1預緊力計算

2.1.1系統(tǒng)所需最小預緊力

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，其既承受徑向工作載荷又承受軸向工作載荷。依據(jù)公式

（1）計算系統(tǒng)聯(lián)接所需最小預緊力。

當可靠系數(shù)為1.2，徑向載荷為26.09kN，軸向載荷為105.95kN，摩擦系數(shù)為0.153，結(jié)合面為2。根據(jù)曲軸皮帶輪螺栓連接參數(shù)和公式（1）計算系統(tǒng)連接所需最小預緊力，結(jié)果為113.50kN。

2.1.2系統(tǒng)所需最大預緊力

根據(jù)曲軸皮帶輪螺栓連接示意圖和曲軸、皮帶輪和鏈輪零件參數(shù)（表2），螺栓有效支撐面直徑為39.000～39.500mm，帶輪孔徑為25.000mm，可得出接觸面等效直徑為32.500mm，帶輪的強度≥310MPa。裝配方法為“扭矩+轉(zhuǎn)角”法，擰緊系數(shù)按1.2～1.4。按照公式（2）計算最大預緊力。

綜上理論計算，得出預緊力范圍113.00～147.00kN。

2.2摩擦系數(shù)理論計算

按100N·m+70°擰緊工藝，獲得T=225～274N·m，F(xiàn)=103.00～130.00kN。由螺栓規(guī)格為M14×1.5-6h得知，P=1.5mm，d2=13.026mm，Db=40.165mm（實測）。按照公式（3）計算總摩擦系數(shù)為0.07～0.10。

3控制措施和試驗驗證

3.1摩擦系數(shù)優(yōu)化

由于皮帶輪螺栓加持配件比較多，系統(tǒng)擰緊摩擦系數(shù)不一，導致摩擦損失，從而實際軸力衰減可能會較大。因此有必要進行實物試驗，以驗證不同摩擦系數(shù)下的軸力衰減情況。

3.1.1實物裝配試驗

試驗?zāi)康模候炞C理論計算結(jié)果及裝配方法。

試驗方法：在螺紋緊固件摩擦試驗機進行螺栓摩擦系數(shù)試驗后，在軸力試驗機和實際對手件擰緊，檢測不同摩擦系數(shù)的螺栓預緊力是否符合計算要求。

試驗設(shè)備：螺紋緊固件摩擦試驗機和軸力試驗機。

結(jié)果輸出：螺栓摩擦系數(shù)結(jié)果、擰緊后的扭矩和軸力。

3.1.2測試結(jié)果與分析

（1）摩擦系數(shù)為0.13～0.15時測試數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

（2）摩擦系數(shù)降低為0.09～0.10測試數(shù)據(jù)如表5和表6所示。

由試驗結(jié)果可知：當螺栓摩擦系數(shù)0.13～0.15時，按100N·m+70°擰緊后，螺栓軸力靜置后衰減比例為2.3%，軸力約110.00kN，不滿足≥113kN的要求。當螺栓摩擦系數(shù)0.09～0.10，按100N·m+70°擰緊后，螺栓軸力靜置后衰減比例為1.5%，軸力約124.00kN，滿足≥113.00kN的要求。

3.2螺栓預涂膠分析

根據(jù)預涂膠對螺栓裝配性能影響的試驗研究可知，膠能鎖固螺紋副，使預緊螺紋的松動扭矩增大，可有效防止螺栓的回轉(zhuǎn)松動。因此，本文設(shè)計螺栓松動橫向振動試驗，分別驗證涂膠和不涂膠時螺栓橫向振動加速軸力衰減情況。

3.2.1橫向振動試驗

試驗?zāi)康模和ㄟ^橫向振動試驗加速軸力衰減，驗證螺栓在不同預緊力下松動（軸力衰減）情況，尋求其衰減規(guī)律。

實驗方案：按照標準GB/T10431-2008《緊固件橫向振動試驗方法》分別開展螺栓不涂膠和螺栓涂膠固化24h的橫向振動試驗，各5件樣品，自由狀態(tài)下振幅為±1.000mm，頻率為12.5Hz，循環(huán)周期2000次。

試驗設(shè)備：橫向振動試驗機。

結(jié)果輸出：螺栓軸力衰減與振動周期的關(guān)系。

3.2.2測試結(jié)果與分析

測試結(jié)果如表7和表8所示。

由橫向振動試驗數(shù)據(jù)可知：螺栓涂膠后預緊力在相同振動周期下的衰減率比不涂膠螺栓低1%，未有明顯提升，仍無法完全避免松動；而螺栓增加涂膠后，如果發(fā)生螺栓斷裂，則斷掉殘留在曲軸螺紋孔的部分螺栓無法取出，會造成發(fā)動機報廢，質(zhì)量成本增加。

4結(jié)論

本文針對某型號發(fā)動機曲軸皮帶輪螺栓連接失效問題，從螺栓斷口分析其失效機理，并通過對系統(tǒng)所需預緊力、螺栓軸力及監(jiān)控方式理論分析，確定了預緊力控制范圍為113.00～147.00kN。試驗結(jié)果表明，預緊力控制范圍有效。同時，文章還針對曲軸皮帶輪連接螺栓的預緊控制措施（摩擦系數(shù)和螺栓預涂膠）進行分析，并分別設(shè)計了實物裝配試驗和橫向振動試驗進行驗證。

試驗結(jié)果表明，螺栓摩擦系數(shù)優(yōu)化為0.09～0.10，預緊力滿足產(chǎn)品要求，而螺栓預涂膠對螺栓的預緊力影響僅為1%。后續(xù)將進一步研究曲軸鏈輪兩端面采用激光刻蝕形成摩擦紋，增大端面摩擦系數(shù)從而降低最小預緊力，提高抗滑移安全系數(shù)，以此獲取更準確優(yōu)化的設(shè)計，為后續(xù)發(fā)動機設(shè)計提供方法依據(jù)。