引言

缸蓋螺栓是發(fā)動機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)動機的動力性、經(jīng)濟性、安全性。從工作條件上講,缸蓋螺栓受發(fā)動機汽缸內(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)計更為科學(xué)合理的擰緊工藝來實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的預(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算

發(fā)動機缸蓋螺栓與缸蓋、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,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)動機工作時,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。

為計算缸頭螺栓在汽缸最大爆燃壓力下的壓力,并校核螺栓的最大彈性載荷和剛度,我們進行了測試驗證。

1.1軸向預(yù)緊力計算

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)絕對壓強(MPa):P0為大氣壓強(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)對汽缸爆燃壓力的測試,最高爆發(fā)壓強(相對壓強)Pmax=6.5MPa,缸徑D=57mm,則缸蓋底面上的最大爆燃壓力為:

由于缸蓋螺栓連接有密封要求,作用在每個汽缸的螺栓總預(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,發(fā)動機缸蓋單個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算

將該機型雙頭螺栓固定在一個平臺上,中間安裝壓力傳感器,不斷擰緊螺母,使螺栓伸長,同時使用外徑千分尺測量螺栓伸長量,根據(jù)壓力傳感器讀取夾緊力數(shù)值,然后使用統(tǒng)計方法計算最大屈服點拉力和螺栓剛度(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,該雙頭螺栓能滿足發(fā)動機爆燃壓力的要求。

2緊固工藝試驗方案

小排量發(fā)動機汽缸頭蓋一般使用一次預(yù)緊方法,用這種方法來間接地控制預(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±40%。當(dāng)摩擦系數(shù)f過大時,達到規(guī)定擰緊力矩而保證不了最小預(yù)緊力,影響發(fā)動機可靠性:當(dāng)摩擦系數(shù)f過小時,按規(guī)定力矩擰緊,可能超過螺栓的屈服點。

對擰緊精度影響最大的是螺栓與工件之間的摩擦系數(shù),因此我們設(shè)計了以下試驗方案:

(1)找出各種涂覆狀態(tài)下摩擦系數(shù)的差異:

(2)無油、涂機油、涂汽油狀態(tài)下扭矩緊固法軸力。

3試驗過程與分析

3.1各種涂覆狀態(tài)下摩擦系數(shù)試驗

由于摩擦系數(shù)的精確測試非常困難,為保持測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和權(quán)威性,我們使用德國多功能SCHATZ螺紋扭矩測試儀,可同時檢測扭矩、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:無油>2755清洗>泡93#汽油>涂機油(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)試驗結(jié)論為處理日常擰緊技術(shù)問題提供了權(quán)威的參考。

3.2涂機油、無油、2755清洗軸力比較試驗

選取和實際生產(chǎn)條件接近的涂機油、無油和2755清洗螺栓進行裝配驗證。

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

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

3.3試驗小結(jié)

(1)采用扭矩法時,無油狀態(tài)軸力波動較大,會導(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:涂機油時軸力波動最小:2755清洗劑清洗時軸力波動介于兩者之間。

(2)用10N·m+1609測試時,螺栓伸長量相當(dāng),夾緊力波動較小,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,并進行面壓測試,以確定所需緊固的角度范圍符合軸力、面壓要求,同時為降低誤差,在墊片、螺紋處涂機油。

面壓試驗方法: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,同時檢測空氣溫度和濕度: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試驗總結(jié)與結(jié)論

摩擦系數(shù)對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,因此,汽缸頭緊固的較理想方法是:使用電動擰緊機,并采用先緊固10N·m+1609方式進行,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。