连杆螺栓拧紧方式的研究.pdf

连杆螺栓拧紧方式的研究 ～ 张自明，狄建兵，吴志强 中国北方发动机研究所 摘’要：本文通过对某机型连杆螺栓拧紧方式的理论分析，研究了几种不同拧紧方式的差别及优缺 点并得到了试验验证。该研究为今后设计过程中连杆螺栓拧紧方式的选用提供了依据。 关键词：连杆螺栓；拧紧方式 1前言 众所周知，发动机内部的运动件在工作时高速运转，各零部件的可靠与否关系着整机的成败，特别 是相互联接的零件最容易出现螺栓松动、断裂等故障，造成整个部件不能正常运行甚至毁及其它零件和 人员的伤亡。由于分开式连杆大头一般均采用螺栓联接结构，因此连杆螺栓在设计时除了采用合理的结 构和加工工艺外在安装过程中的拧紧方式的选取也非常重要。合理的拧紧方式可以使螺栓压紧均匀，保 证良好的整体刚度，提高部件的工作可靠性。本文即通过对某机型连杆螺栓拧紧方式的理论分析，研究 了几种不同拧紧方式的差别及优缺点并得到了试验验证。 2 连杆螺栓的工作载荷与预紧力 连杆螺栓的工作载荷是交变的脉动载荷。膨胀冲程上止点时气压力大于惯性力，连杆体压在曲柄销 上，螺栓的最小工作载荷为零。假定每个连杆用i个螺栓，则每个螺栓所受的工作载荷为 pl=兰I G-o__A1 0+九如z+盟塑朐2 I ． f L g 。 g J 其中：G、G1、G2、G3?分别为活塞组、连杆组往复部分、旋转部分及连杆大头盖的重量。 r---曲柄半径 入?曲柄半径／连杆长度 为了防止连杆体和连杆盖的结合面在上述工作载荷的拉伸下脱开，在装配时需加足够的预紧力p1， 而为压平轴瓦对孔座的突出量，使瓦紧贴瓦座，装配时还应加一预紧力p2，该薅力之和为连杆螺栓的 预紧力。 对于连杆螺栓，它的结构一般采用缩颈的形式，中间杆部为危险截面，其弹性好、变形大。如图1。 当对其施加一定的预紧力使螺栓变形接近塑性区域，从而自身形成自锁，保持联接件安全联接。因此， 对于连杆螺栓的联接不使用弹簧垫圈。另一方面，不使用弹簧垫圈提高了联接件的刚度，减小了螺栓所 受变动负荷的幅值，提高了螺栓与联接件的可靠性。螺栓联接形式不同其受力差异可见图2。 图1连杆螺栓的典型结构 图2提高被联接件刚度连杆螺栓的受力变化 234 3拧紧方式研究 3．1理论分析 3．1．I扭矩法：通过用扭力扳手控制预紧力矩M来间接控制预紧力Qp的方法，这两者之间的关系如下： M≈f Qp cL．X10～(N·m) 式中： f是与螺纹之间、螺母端面与支承面之间的摩擦因数有关的系数，一般为0．15---0．2 dI是螺纹公称直径 ’ 显然，用力矩M来间接控制预紧力是很不精确的，因摩擦系数受很多不定因素的影响，f值易波动， 使得真正的预紧力很分散，所需螺栓的预紧力不易得到保证。 。 3．1．2转角法：转角法就是对螺栓加一密合扭矩，使各接触面接触良好、密实，从而消除结合面间的 间隙。然后根据理论计算结果的要求继续将螺栓扭转一定角度使螺栓接近塑性变形状态，形成自锁。那 么，在同一拧紧扭矩下所对应的轴向力虽仍有-定的波动，但在塑性区附近的预紧力变化相对减小，预 紧力的分散情况将大大改善。转角法与扭矩法预紧力的分散情况见图3。。‘ 5? 。 ㈡1。’ 泉 足 暴 冁 靶 最 43Z 蒜 璺‘ 靶 封／孑一 ∥ 拧紧扭矩 图3两种拧紧方法轴向力的分散情况 转角 3．1．3伸长晕法：在装配时精确测量螺栓的预变形量，直接控制预紧力。显然采用此法预紧力的分散 度较小，能够很好的保证设计的预紧力。 3．2试验验证 、； 本次试验选用12．9级M18的连杆螺栓，螺栓杆部缩径。在螺栓中间杆身上贴应变片，利用应变测 试仪进行应变测量。 一． 3．2．1扭矩法拧紧试验 根据理论计算的结果确定一最大扭矩，然后分几次利用扭力扳手依次均匀将各螺栓拧紧，逐一、分 次进行测量最终确定最大扭矩。 经过电测试验测量螺栓受力情况并绘制的拧紧过程中的受力变化情况见图4， 0 50 OO 1S0 200 2S0 300 350 400 450 扭矩 (N·m) 图4应力变化图(扭矩法) ；， ’。‘‘ 235 Ⅲ Ⅲ m Ⅲ Ⅲ 枷 砉三 Ⅲ Ⅲ o ^∞△j一长镯 3．2．2转角法拧紧试验 密合扭矩不宜过大否则将加大螺栓受力的分散性，失去了转角法拧紧的意义。一般它所造成的轴向 力约占总预紧力的20％，对于M18高强度螺栓密合扭矩应控制在50--一70(N·m)。 扭转角度的确定：当使螺栓接近屈服的预紧力Po已知时，刚度为C。的螺栓伸长量为入。刚度为c： 的被连接件的压缩量为入： 、 旋转角度：0=360X(入，+入，)／s 式中： s一一螺纹的螺距 根据理论计算结果确定试验工况，然后进行实际的测量试验。 最终可以根据电测试验数据确定扭转角度的最大转角，为了使拧紧规范操作方便、可靠，适当调整 密合扭矩将最大转角确定为整数，最大转角可定为6