林莉莉

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

0引言

曲軸皮帶輪螺栓是發(fā)動(dòng)機(jī)重要緊固件，其受力非常復(fù)雜，倘若設(shè)計(jì)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(yùn)行。因此，研究發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪螺栓的預(yù)緊控制策略，是設(shè)計(jì)、裝配過程中的重要工作。

由于車輛運(yùn)行工況比較復(fù)雜，很多同行對(duì)于車輛螺栓預(yù)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(dá)到了較好的螺栓預(yù)緊效果。在摩擦系數(shù)方面，武永亮通過螺栓松動(dòng)機(jī)理和試驗(yàn)證明，隨著摩擦系數(shù)和軸向預(yù)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(biāo)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(duì)連接優(yōu)化影響[8]。

但是，相關(guān)研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪螺栓預(yù)緊控制尚未有系統(tǒng)研究。本文對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪螺栓失效斷裂作螺栓斷口分析，理論計(jì)算確定預(yù)緊力控制范圍。同時(shí)，通過試驗(yàn)驗(yàn)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(yù)緊控制策略，為曲軸皮帶輪螺栓的設(shè)計(jì)提供理論。

1曲軸皮帶輪螺栓斷裂分析

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)平整，斷面可見明顯貝紋花樣。經(jīng)檢測(cè)，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(duì)螺栓硬度進(jìn)行檢測(cè)，硬度符合設(shè)計(jì)要求（表1）。

由以上檢測(cè)結(jié)果判斷，引起疲勞斷裂的原因?yàn)槁菟ㄟB接副處出現(xiàn)松動(dòng)導(dǎo)致。因此本文針對(duì)曲軸皮帶輪螺栓松動(dòng)做預(yù)緊力優(yōu)化分析。

2理論計(jì)算

螺栓與配件之間的連接功能，主要依靠軸力實(shí)現(xiàn)?；诖?，對(duì)系統(tǒng)所需最小預(yù)緊力、最大預(yù)緊力、螺栓屈服點(diǎn)軸力及裝配方法進(jìn)行理論計(jì)算。

2.1預(yù)緊力計(jì)算

2.1.1系統(tǒng)所需最小預(yù)緊力

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(jìn)行力矩的傳遞，進(jìn)而帶動(dòng)曲軸前端的一系列輪系轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jì)算系統(tǒng)聯(lián)接所需最小預(yù)緊力。

當(dāng)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(jì)算系統(tǒng)連接所需最小預(yù)緊力，結(jié)果為113.50kN。

2.1.2系統(tǒng)所需最大預(yù)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(qiáng)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(jì)算最大預(yù)緊力。

綜上理論計(jì)算，得出預(yù)緊力范圍113.00～147.00kN。

2.2摩擦系數(shù)理論計(jì)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(shí)測(cè)）。按照公式（3）計(jì)算總摩擦系數(shù)為0.07～0.10。

3控制措施和試驗(yàn)驗(yàn)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(dǎo)致摩擦損失，從而實(shí)際軸力衰減可能會(huì)較大。因此有必要進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，以驗(yàn)證不同摩擦系數(shù)下的軸力衰減情況。

3.1.1實(shí)物裝配試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證理論計(jì)算結(jié)果及裝配方法。

試驗(yàn)方法：在螺紋緊固件摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行螺栓摩擦系數(shù)試驗(yàn)后，在軸力試驗(yàn)機(jī)和實(shí)際對(duì)手件擰緊，檢測(cè)不同摩擦系數(shù)的螺栓預(yù)緊力是否符合計(jì)算要求。

試驗(yàn)設(shè)備：螺紋緊固件摩擦試驗(yàn)機(jī)和軸力試驗(yàn)機(jī)。

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(cè)試結(jié)果與分析

（1）摩擦系數(shù)為0.13～0.15時(shí)測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)如表5和表6所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)螺栓摩擦系數(shù)0.13～0.15時(shí)，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(dāng)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(yù)涂膠分析

根據(jù)預(yù)涂膠對(duì)螺栓裝配性能影響的試驗(yàn)研究可知，膠能鎖固螺紋副，使預(yù)緊螺紋的松動(dòng)扭矩增大，可有效防止螺栓的回轉(zhuǎn)松動(dòng)。因此，本文設(shè)計(jì)螺栓松動(dòng)橫向振動(dòng)試驗(yàn)，分別驗(yàn)證涂膠和不涂膠時(shí)螺栓橫向振動(dòng)加速軸力衰減情況。

3.2.1橫向振動(dòng)試驗(yàn)

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

實(shí)驗(yàn)方案：按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T10431-2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》分別開展螺栓不涂膠和螺栓涂膠固化24h的橫向振動(dòng)試驗(yàn)，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(yàn)設(shè)備：橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。

結(jié)果輸出：螺栓軸力衰減與振動(dòng)周期的關(guān)系。

3.2.2測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試結(jié)果如表7和表8所示。

由橫向振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：螺栓涂膠后預(yù)緊力在相同振動(dòng)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(dòng)；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(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢，質(zhì)量成本增加。

4結(jié)論

本文針對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)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，并通過對(duì)系統(tǒng)所需預(yù)緊力、螺栓軸力及監(jiān)控方式理論分析，確定了預(yù)緊力控制范圍為113.00～147.00kN。試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)緊力控制范圍有效。同時(shí)，文章還針對(duì)曲軸皮帶輪連接螺栓的預(yù)緊控制措施（摩擦系數(shù)和螺栓預(yù)涂膠）進(jìn)行分析，并分別設(shè)計(jì)了實(shí)物裝配試驗(yàn)和橫向振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果表明，螺栓摩擦系數(shù)優(yōu)化為0.09～0.10，預(yù)緊力滿足產(chǎn)品要求，而螺栓預(yù)涂膠對(duì)螺栓的預(yù)緊力影響僅為1%。后續(xù)將進(jìn)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(yù)緊力，提高抗滑移安全系數(shù)，以此獲取更準(zhǔn)確優(yōu)化的設(shè)計(jì)，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供方法依據(jù)。