彭天鵬

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京210000）

20世紀后期，德國率先研究出了連桿體和蓋分離新技術(shù)，即“漲斷”工藝。相比與傳統(tǒng)連桿加工工藝，漲斷工藝可以簡化連桿螺栓孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝，具有加工工序少、高效節(jié)能、質(zhì)量穩(wěn)定、低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢[1]。某四缸柴油機出現(xiàn)多起漲斷連桿螺栓斷裂故障，導致缸體被搗通、曲軸等核心零件損壞。本文對斷裂的螺栓故障件進行原因分析，螺栓理論強度和張斷面動態(tài)間隙校核，并提出改進措施，通過理論分析和試驗驗證。

1 螺栓斷裂故障件分析

1.1 螺栓物理性能分析

因42CrMo合金鋼具有高強度、淬透性高、韌性好的力學性能，是高速柴油機連桿螺栓材料的首選，且經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，獲得更好的強度和韌性，本文的討論的柴油機也選用該材料。

對圖1中的螺栓斷裂故障件，采用GB/T4336檢測方法對螺栓材質(zhì)分析，結(jié)果符合GB/T3077中規(guī)定的42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)要求；采用GB/T13298檢測方法，洛氏硬度檢測結(jié)果符合設(shè)計要求；金相組織均為回火索氏體，符合標準GB/T3098.1對10.9級螺栓的要求。

圖1 螺栓斷裂故障（M10X1.25，10.9級）

1.2 斷口分析

經(jīng)掃描電鏡分析，斷裂起始于螺紋底部的低應力雙向彎曲疲勞斷裂，斷裂起始處無異常缺陷的特征，如圖2所示。連桿螺栓在使用中均發(fā)生松動并顯著旋出，導致連桿蓋與螺栓滑動摩擦，連桿螺栓異常受力，發(fā)生雙向彎曲疲勞斷裂。

圖2 電鏡掃描結(jié)果

2 螺栓松動原因分析

根據(jù)柴油機工作原理可知，連桿螺栓主要承受裝配時的夾緊力，大小和方向都不變的靜載荷。在四沖程膨脹過程中活塞位于上止點時，氣體壓力大于往復運動慣性力和離心力之和，連桿受到壓縮，這時往復慣性力和離心力對連桿螺栓沒有作用。而在進氣過程中活塞位于上止點時，這個往復慣性力和離心力就對連桿螺栓進行拉伸[2]。

連桿螺栓的核心作用就是確保連桿體和連桿蓋始終緊密連接在一起，不允許有任何間隙，一旦產(chǎn)生間隙，則螺栓夾緊力，會瞬間消失或減弱導致螺栓松動。在高速旋轉(zhuǎn)的工況下，連桿螺栓承受的往復慣性力和連桿旋轉(zhuǎn)離心力的交變載荷增大，極易出現(xiàn)連桿體和連桿蓋分離，導致連桿螺栓失去夾緊力后螺栓松動。

計算結(jié)果見圖3，在柴油機額定轉(zhuǎn)速（3 600 r/min）和最高轉(zhuǎn)速（4 200 r/min）均出現(xiàn)了漲斷面分離現(xiàn)象（左上角區(qū)域計算結(jié)果大于0，則說明存在間隙），而且隨著轉(zhuǎn)速的增加，漲斷面分離的區(qū)域及間隙幅值增大。因此，連桿及連桿螺栓在高轉(zhuǎn)速區(qū)域存在漲斷面分離的風險。

圖3 漲斷面間隙理論計算結(jié)果

3 改進措施

解決螺栓斷裂的根本是防止螺栓松動，螺栓松動的核心是避免在柴油機所有運行工況范圍內(nèi)出現(xiàn)連桿蓋與連桿體漲斷面分離?；谝陨显蚍治觯_定改進方向為通過提高螺栓夾緊力。

3.1連桿螺栓性能等級校核

為了分析連桿螺栓強度的影響，對不同性能等級的連桿螺栓進行理論校核，結(jié)果見表1。

表1 連桿螺栓強度校核結(jié)果

從表1來看，殘余力系數(shù)和螺栓頭部接觸壓力均符合設(shè)計經(jīng)驗值，隨著螺栓等級強度的提升，殘余力系數(shù)逐漸提升有助于提高螺栓夾緊力，但同時螺栓頭部接觸壓力也逐漸增加，增加了螺栓的載荷。

3.2 連桿本體結(jié)構(gòu)改進

選擇最高轉(zhuǎn)速工況作為螺栓載荷極限工況分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)連桿結(jié)構(gòu)不管選擇何種強度等級螺栓，均存在漲斷面有間隙情況，即連桿蓋與連桿體分離。

螺栓等級提高后，螺栓夾緊力增加，對連桿作用力也會增加。由于漲斷面附近連桿桿身強度最弱，在高轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)動慣量的狀態(tài)易出現(xiàn)微小塑性變形，連桿體受力范圍受螺栓螺紋位置影響。因此優(yōu)化連桿螺栓孔內(nèi)部螺紋尺寸，使得螺紋連接位置遠離漲斷面，降低漲斷面分離風險。具體方案為減少連桿螺栓內(nèi)螺紋長度9 mm，保持連桿螺栓尺寸規(guī)格不變，使得螺栓與連桿內(nèi)螺紋接觸位置與原來比遠離9 mm，如圖3右側(cè)圓圈部位。

圖3 連桿內(nèi)螺紋孔長度優(yōu)化前后對比

3.3 優(yōu)化方案校核分析

采用不同的螺栓性能等級以及對連桿體優(yōu)化后，進行重新理論校核，為了減少工作量，僅選擇最高轉(zhuǎn)速進行計算，同時把當前狀態(tài)的連桿也一并進行對比分析，計算結(jié)果見圖4。

圖4 漲斷面分離結(jié)果對比（4200r/m in）

從圖4分析，改進后的連桿與10.9級螺栓匹配時，還是會存在漲斷面分離現(xiàn)象；改進后連桿與11.9級螺栓匹配時，漲斷面沒有出現(xiàn)分離現(xiàn)象；與12.9級螺栓匹配時，間隙幅值及區(qū)域進一步減小，即螺栓夾緊力增加。

綜合考慮成本和制造工藝性，改進措施確定為螺栓強度性能等級采用11.9級并對連桿本體上的連桿螺栓孔內(nèi)螺紋長度減小9 mm。

4 試驗驗證

4.1 螺栓擰緊試驗

采用扭矩加轉(zhuǎn)角擰緊法的擰緊工藝，螺栓會擰緊至屈服狀態(tài)，充分發(fā)揮螺栓擰緊效率。同時該工藝可有效降低系統(tǒng)摩擦系數(shù)分散度大帶來的影響，避免在裝配過程中螺栓斷裂或夾緊力不足[3]?？紤]到夾緊力測試耗時且測試成本較高，此次采用螺栓長度伸長率測試方法，具體為螺栓擰緊前測量其長度，按照扭矩加轉(zhuǎn)角實施擰緊后再次測量螺栓長度可得到螺栓伸長量，擰緊的伸長量與原長度比值定義為螺栓伸長率。

三種不同擰緊工藝：當前工藝50 N·m+90°；改進方案 1：40 N·m+120°；改進方案 2：40 N·m+110°的試驗結(jié)果見圖5，轉(zhuǎn)角越大，螺栓伸長率相對集中；相同預緊扭矩的情況下，轉(zhuǎn)角越大則螺栓伸長率更大，但影響著螺栓重復使用次數(shù)。結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，螺栓伸長率應小于0.75%，伸長率穩(wěn)定有利于提高螺栓夾緊力一致性。因此，選用改進方案2。

圖5 擰緊后螺栓伸長率結(jié)果對比

4.2 整機試驗驗證

連桿螺栓極限工況主要在超速工況下，設(shè)計臺架超速試驗，試驗累計時間300 h，工況主要為：1）從怠速提高至1.25倍額定轉(zhuǎn)速進行15 000個循環(huán)；2）從怠速提高至1.4倍額定轉(zhuǎn)速進行15 000循環(huán)，如圖6。裝機時對螺栓及連桿做好位置標記，300 h試驗后，拆解查驗螺栓標記未見有松動痕跡，結(jié)果證明，改進方案有效，且增加了安全冗余。

圖6 超速試驗循環(huán)

5 結(jié)束語

（1）高速時連桿蓋與連桿體漲斷面分離導致螺栓松動，螺栓松動后產(chǎn)生疲勞斷裂。

（2）采取增加連桿螺栓強度同步減小連桿本體螺栓內(nèi)螺紋長度有效降低了高速工況下連桿體和連桿蓋分離的風險。

（3）優(yōu)化了螺栓扭矩加轉(zhuǎn)角法擰緊工藝。

（4）提出了快速臺架試驗的方法并加以實機驗證。