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发动机主轴承盖螺栓拧紧工艺开发
- 2019-07-03-

对一款四缸涡轮增压直喷汽油发动机主轴承盖螺栓的拧紧工艺进行了正向设计开发。选取塑性区转角法作为该螺栓的拧紧方式,计算预紧力及塑性伸长量要求作为工艺选择的理论基础。

采用SCHATZ螺纹紧固模拟装配试验分析系统进行实物拧紧试验,先通过拧断试验初定工艺,再在样机上进行多轮拧紧验证,以预紧力和塑性伸长量的试验结果验证工艺的可靠性,从而选择zui优的拧紧工艺。

随着汽油发动机小型化、高功率化的发展,zui高燃烧爆发压力的增大对发动机关键零件提出了更高的要求。对于发动机关键高强螺栓,希望在保证螺栓疲劳强度的前提下,产生尽可能高的装配预紧力。主轴承盖螺栓是发动机中关键紧固件,在工作中主要承受连杆的惯性力和燃烧爆发压力施加给曲轴的载荷。

通过拧紧螺栓对主轴承盖和缸体产生稳定、合适的轴向预紧力,对连接的可靠性和疲劳性能至关重要。螺栓预紧力过大或过小,都易导致连接失效,将直接影响发动机的安全运行。本文将通过理论计算及试验,阐述如何对主轴承盖螺栓制定合理的拧紧工艺。

拧紧方式选择

对轴向预紧力的准确控制是保证装配质量的基础。扭矩法利用螺栓在弹性阶段扭矩和预紧力的线性关系,通过控制扭矩从而间接控制预紧力。

然而约90%的紧固扭矩被摩擦所消耗,仅10%用于产生预紧力。若摩擦系数波动较大,预紧力的控制精度也相应降低,散差可达±35%,对材料屈服强度的利用率通常只能达到80%。

转角法和屈服点法可在螺栓塑性区拧紧,分别通过控制拧紧角度、扭矩-角度的斜率以控制拧紧。两种方法的预紧力离散度主要取决于螺栓紧固时的屈服点,预紧力离散度约±(10-15)%,不仅可zui大限度地利用螺栓材料性能,还有助于减小螺栓规格,提高疲劳性能,并获得较好的防松效果。

与转角法相比,屈服点法在螺栓塑性及反复使用等方面出现的问题较少。但屈服点法对干扰因素比较敏感,同时对螺栓性能及结构设计要求极高,若扭矩出现波动导致斜率dT/dθ 下降,易误判为屈服点,控制难度大,故在生产中少有广泛运用。而转角法通过控制转角以控制拧紧,较屈服点法更易于实现。

因此选择塑性区的转角法作为主轴承螺栓的拧紧方式,以实现高精度的拧紧控制,获得较好的疲劳及防松性能,提高发动机运行稳定性。

主轴承盖螺栓在加工和装配阶段各拧紧一次,多次拧紧可能造成摩擦条件的变化,为降低不确定性只预留一次拧紧余量,因此设计允许拧紧次数≤3。螺栓未旋和螺纹及杆部局部将发生少量塑性变形,在制定工艺时应严格控制其塑性伸长量。