引言

缸蓋螺栓是發(fā)動(dòng)機(jī)連接螺栓中最為重要的螺栓之一,其連接的可靠性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性。從工作條件上講,缸蓋螺栓受發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)氣體壓力的交變作用和熱負(fù)荷影響,工作環(huán)境最為惡劣,極易失效:從結(jié)構(gòu)上來(lái)講,缸蓋螺栓連接是一種更為復(fù)雜的軟連接,這就要求缸蓋螺栓設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理的擰緊工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的預(yù)緊力要求,確保連接的可靠性、緊密性和剛性。

1缸蓋螺栓工作載荷和理論抗拉力計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓與缸蓋、缸墊、缸體連接在一起,組成連接體,在擰緊缸蓋螺栓后,缸蓋螺栓被拉長(zhǎng),而缸蓋連接件被壓縮,螺栓軸力與被連接件的壓力大小相等。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),由于氣體燃燒產(chǎn)生的爆壓作用,螺栓還受到附加載荷,而被連接件的壓力則減小。此外,螺栓還將受到熱載負(fù)荷沖擊。

為計(jì)算缸頭螺栓在汽缸最大爆燃?jí)毫ο碌膲毫?并校核螺栓的最大彈性載荷和剛度,我們進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。

1.1軸向預(yù)緊力計(jì)算

汽缸蓋所受推力=汽缸內(nèi)壓力作用在活塞上的總壓力,其計(jì)算公式為:

式中,FC為汽缸頭蓋所受總推力(N):Pg為汽缸內(nèi)絕對(duì)壓強(qiáng)(MPa):P0為大氣壓強(qiáng)(MPa),取0.101MPa:Sb為活塞頂部投影面(mm2),Sb=xD2,D為汽缸直徑(mm)。

根據(jù)對(duì)汽缸爆燃?jí)毫Φ臏y(cè)試,最高爆發(fā)壓強(qiáng)(相對(duì)壓強(qiáng))Pmax=6.5MPa,缸徑D=57mm,則缸蓋底面上的最大爆燃?jí)毫?

由于缸蓋螺栓連接有密封要求,作用在每個(gè)汽缸的螺栓總預(yù)緊力不應(yīng)小于氣體壓力作用在每缸上總力的3.2倍。取N值為3.2時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋單個(gè)螺栓擰緊后最小軸向力要求為F=3.2×Fmax/4≈13.2kN,故取軸向力下限為13.2kN。

1.2雙頭螺栓抗拉拉力和剛度計(jì)算

將該機(jī)型雙頭螺栓固定在一個(gè)平臺(tái)上,中間安裝壓力傳感器,不斷擰緊螺母,使螺栓伸長(zhǎng),同時(shí)使用外徑千分尺測(cè)量螺栓伸長(zhǎng)量,根據(jù)壓力傳感器讀取夾緊力數(shù)值,然后使用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算最大屈服點(diǎn)拉力和螺栓剛度(3根取平均值):平均抗拉拉力F=24kN:平均剛度K=43.2kN/mm。

根據(jù)試驗(yàn),該雙頭螺栓能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃?jí)毫Φ囊蟆?

2緊固工藝試驗(yàn)方案

小排量發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸頭蓋一般使用一次預(yù)緊方法,用這種方法來(lái)間接地控制預(yù)緊力,由于受螺栓或螺母摩擦力、擰緊工具的制造誤差影響,預(yù)緊力離散度很大,高達(dá)±40%。當(dāng)摩擦系數(shù)f過(guò)大時(shí),達(dá)到規(guī)定擰緊力矩而保證不了最小預(yù)緊力,影響發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性:當(dāng)摩擦系數(shù)f過(guò)小時(shí),按規(guī)定力矩?cái)Q緊,可能超過(guò)螺栓的屈服點(diǎn)。

對(duì)擰緊精度影響最大的是螺栓與工件之間的摩擦系數(shù),因此我們?cè)O(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)方案:

(1)找出各種涂覆狀態(tài)下摩擦系數(shù)的差異:

(2)無(wú)油、涂機(jī)油、涂汽油狀態(tài)下扭矩緊固法軸力。

3試驗(yàn)過(guò)程與分析

3.1各種涂覆狀態(tài)下摩擦系數(shù)試驗(yàn)

由于摩擦系數(shù)的精確測(cè)試非常困難,為保持測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和權(quán)威性,我們使用德國(guó)多功能SCHATZ螺紋扭矩測(cè)試儀,可同時(shí)檢測(cè)扭矩、軸力、摩擦系數(shù)等參數(shù)(圖1、圖2)。

小結(jié):

(1)摩擦系數(shù)大小:無(wú)油>2755清洗>泡93#汽油>涂機(jī)油(封閉劑與之相當(dāng)):

(2)相同扭矩下,摩擦系數(shù)越小,軸力越大:

(3)試驗(yàn)結(jié)論為處理日常擰緊技術(shù)問(wèn)題提供了權(quán)威的參考。

3.2涂機(jī)油、無(wú)油、2755清洗軸力比較試驗(yàn)

選取和實(shí)際生產(chǎn)條件接近的涂機(jī)油、無(wú)油和2755清洗螺栓進(jìn)行裝配驗(yàn)證。

試驗(yàn)1:先緊固10N·m,再緊固到相同伸長(zhǎng)量(剛度K=43.2kN/mm),測(cè)試此時(shí)的扭矩、伸長(zhǎng)量等,結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)2:先緊固10N·m,再緊固到相同角度(剛度K=43.2kN/mm),測(cè)試此時(shí)的扭矩、伸長(zhǎng)量等,結(jié)果如表2所示。

3.3試驗(yàn)小結(jié)

(1)采用扭矩法時(shí),無(wú)油狀態(tài)軸力波動(dòng)較大,會(huì)導(dǎo)致缸頭整體軸力不均衡,且由于摩擦力較大,易使螺栓墊片與缸頭接觸面刮傷:涂機(jī)油時(shí)軸力波動(dòng)最小:2755清洗劑清洗時(shí)軸力波動(dòng)介于兩者之間。

(2)用10N·m+1609測(cè)試時(shí),螺栓伸長(zhǎng)量相當(dāng),夾緊力波動(dòng)較小,角度法控制產(chǎn)生的夾緊力一致性優(yōu)于扭矩法。

4面壓分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)論,使用二次緊固法,先緊固到10N·m,再分別緊固到1609,并進(jìn)行面壓測(cè)試,以確定所需緊固的角度范圍符合軸力、面壓要求,同時(shí)為降低誤差,在墊片、螺紋處涂機(jī)油。

面壓試驗(yàn)方法:按照螺栓涂覆工藝,裝配缸墊前將面壓紙裝入,然后按照量產(chǎn)工藝裝配其他件,保壓4min,拆開,同時(shí)檢測(cè)空氣溫度和濕度:用專業(yè)儀器分析面壓值:

(1)封氣筋最小面壓>30MPa,封油筋最小面壓>10MPa,面壓符合要求:

(2)滿足單根螺栓軸力>13.2kN,總軸力>52.8kN的要求。

5試驗(yàn)總結(jié)與結(jié)論

摩擦系數(shù)對(duì)扭矩緊固法影響較大,若使用扭矩一轉(zhuǎn)角法則可克服這些缺點(diǎn),因此,汽缸頭緊固的較理想方法是:使用電動(dòng)擰緊機(jī),并采用先緊固10N·m+1609方式進(jìn)行,不僅扭矩軸力均衡,而且也降低了缸頭翹曲。

考慮到成本,制造廠可采用涂機(jī)油的方式,多步緊固,既可適當(dāng)避免零件翹曲,也能使軸力的均衡性得到一定保證。