摩托车缸头螺栓拧紧工艺研究

引言

缸盖螺栓是发动机连接螺栓中最为重要的螺栓之一,其连接的可靠性直接关系到发动机的动力性、经济性、安全性。从工作条件上讲,缸盖螺栓受发动机汽缸内气体压力的交变作用和热负荷影响,工作环境最为恶劣,极易失效:从结构上来讲,缸盖螺栓连接是一种更为复杂的软连接,这就要求缸盖螺栓设计更为科学合理的拧紧工艺来实现产品设计的预紧力要求,确保连接的可靠性、紧密性和刚性。

1缸盖螺栓工作载荷和理论抗拉力计算

发动机缸盖螺栓与缸盖、缸垫、缸体连接在一起,组成连接体,在拧紧缸盖螺栓后,缸盖螺栓被拉长,而缸盖连接件被压缩,螺栓轴力与被连接件的压力大小相等。当发动机工作时,由于气体燃烧产生的爆压作用,螺栓还受到附加载荷,而被连接件的压力则减小。此外,螺栓还将受到热载负荷冲击。

为计算缸头螺栓在汽缸最大爆燃压力下的压力,并校核螺栓的最大弹性载荷和刚度,我们进行了测试验证。

1.1轴向预紧力计算

汽缸盖所受推力=汽缸内压力作用在活塞上的总压力,其计算公式为:

式中,FC为汽缸头盖所受总推力(N):Pg为汽缸内绝对压强(MPa):P0为大气压强(MPa),取0.101MPa:Sb为活塞顶部投影面(mm2),Sb=xD2,D为汽缸直径(mm)。

根据对汽缸爆燃压力的测试,最高爆发压强(相对压强)Pmax=6.5MPa,缸径D=57mm,则缸盖底面上的最大爆燃压力为:

由于缸盖螺栓连接有密封要求,作用在每个汽缸的螺栓总预紧力不应小于气体压力作用在每缸上总力的3.2倍。取N值为3.2时,发动机缸盖单个螺栓拧紧后最小轴向力要求为F=3.2×Fmax/4≈13.2kN,故取轴向力下限为13.2kN。

1.2双头螺栓抗拉拉力和刚度计算

将该机型双头螺栓固定在一个平台上,中间安装压力传感器,不断拧紧螺母,使螺栓伸长,同时使用外径千分尺测量螺栓伸长量,根据压力传感器读取夹紧力数值,然后使用统计方法计算最大屈服点拉力和螺栓刚度(3根取平均值):平均抗拉拉力F=24kN:平均刚度K=43.2kN/mm。

根据试验,该双头螺栓能满足发动机爆燃压力的要求。

2紧固工艺试验方案

小排量发动机汽缸头盖一般使用一次预紧方法,用这种方法来间接地控制预紧力,由于受螺栓或螺母摩擦力、拧紧工具的制造误差影响,预紧力离散度很大,高达±40%。当摩擦系数f过大时,达到规定拧紧力矩而保证不了最小预紧力,影响发动机可靠性:当摩擦系数f过小时,按规定力矩拧紧,可能超过螺栓的屈服点。

对拧紧精度影响最大的是螺栓与工件之间的摩擦系数,因此我们设计了以下试验方案:

(1)找出各种涂覆状态下摩擦系数的差异:

(2)无油、涂机油、涂汽油状态下扭矩紧固法轴力。

3试验过程与分析

3.1各种涂覆状态下摩擦系数试验

由于摩擦系数的精确测试非常困难,为保持测试数据的准确性和权威性,我们使用德国多功能SCHATZ螺纹扭矩测试仪,可同时检测扭矩、轴力、摩擦系数等参数(图1、图2)。

小结:

(1)摩擦系数大小:无油>2755清洗>泡93#汽油>涂机油(封闭剂与之相当):

(2)相同扭矩下,摩擦系数越小,轴力越大:

(3)试验结论为处理日常拧紧技术问题提供了权威的参考。

3.2涂机油、无油、2755清洗轴力比较试验

选取和实际生产条件接近的涂机油、无油和2755清洗螺栓进行装配验证。

试验1:先紧固10N·m,再紧固到相同伸长量(刚度K=43.2kN/mm),测试此时的扭矩、伸长量等,结果如表1所示。

试验2:先紧固10N·m,再紧固到相同角度(刚度K=43.2kN/mm),测试此时的扭矩、伸长量等,结果如表2所示。

3.3试验小结

(1)采用扭矩法时,无油状态轴力波动较大,会导致缸头整体轴力不均衡,且由于摩擦力较大,易使螺栓垫片与缸头接触面刮伤:涂机油时轴力波动最小:2755清洗剂清洗时轴力波动介于两者之间。

(2)用10N·m+1609测试时,螺栓伸长量相当,夹紧力波动较小,角度法控制产生的夹紧力一致性优于扭矩法。

4面压分析

根据试验结论,使用二次紧固法,先紧固到10N·m,再分别紧固到1609,并进行面压测试,以确定所需紧固的角度范围符合轴力、面压要求,同时为降低误差,在垫片、螺纹处涂机油。

面压试验方法:按照螺栓涂覆工艺,装配缸垫前将面压纸装入,然后按照量产工艺装配其他件,保压4min,拆开,同时检测空气温度和湿度:用专业仪器分析面压值:

(1)封气筋最小面压>30MPa,封油筋最小面压>10MPa,面压符合要求:

(2)满足单根螺栓轴力>13.2kN,总轴力>52.8kN的要求。

5试验总结与结论

摩擦系数对扭矩紧固法影响较大,若使用扭矩一转角法则可克服这些缺点,因此,汽缸头紧固的较理想方法是:使用电动拧紧机,并采用先紧固10N·m+1609方式进行,不仅扭矩轴力均衡,而且也降低了缸头翘曲。

考虑到成本,制造厂可采用涂机油的方式,多步紧固,既可适当避免零件翘曲,也能使轴力的均衡性得到一定保证。