排氣系統耐熱雙頭螺柱的應用研究

劉向峰 吳衛鈺 鄭洲洋

(寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，寧波 315336)

0 前言

在機械行業，螺栓連接是1種非常普遍的緊固形式。汽車及其他各種機器總成的各個零部件之間的組裝，基本上都是依靠螺栓連接。在眾多的螺栓型號中，雙頭螺柱由于其獨特的結構形式，以及在安裝零部件的過程中具有一定的導向和定位作用，使其在裝配工藝上獨具優勢，成為零部件裝配固定的必要考慮因素。此外，在螺栓/螺柱的連接設計中，設計者不僅要充分考慮螺栓的尺寸、材料、公差等級、機械性能等，還要充分考慮螺栓的應用環境，如溫度場(高/低溫)、振動、冷熱交替、腐蝕性等環境影響因素。

排氣系統由于其環境的特殊性和連接件間的密封問題，一直是各大廠家研發過程的設計難題。目前，常見汽油發動機的排氣溫度范圍在800～1 000 ℃，且隨著各大廠家對發動機性能的不斷提升，排氣溫度呈逐步上升趨勢。在如此高的環境溫度下，對于螺栓材料的耐高溫性能具有特殊的要求。本文對雙頭螺柱在汽油發動機缸蓋與排氣歧管及缸蓋與增壓器間的連接應用這1課題進行專題討論。

1 應用評判

根據行業內實際應用的情況，將雙頭螺柱在實際使用過程中無脫落、無斷裂，密封墊片無漏氣現象等，將其定義為雙頭螺柱/螺栓未產生失效的判定標準。如僅為試驗或使用后力矩衰減，但未導致上述失效產生，原則上不會將其定義為螺柱/螺栓失效。

2 應用環境分析

經過對比各平臺機型的仿真分析及實際結果，排氣歧管表面溫度最高約800 ℃，但在缸蓋與增壓器/排氣歧管連接處，耐熱螺栓/雙頭螺柱溫度場分布卻在300 ℃以下，這主要得益于缸蓋水套的冷卻效果。受缸蓋水道內的冷卻液影響，一般缸蓋處法蘭部分溫度約110 ℃(與冷卻液溫度大致相當)。圖1為增壓器安裝螺栓/雙頭螺柱溫度分布示意圖。不同于增壓器與后處理連接處的高溫區域，缸蓋法蘭處得益于冷卻系統的影響，溫度場大幅改善。此結果為缸蓋連接處耐熱雙頭螺柱的材料選型提供了強有力的理論基礎。

圖1 增壓器安裝螺栓/雙頭螺柱溫度分布示意圖

如上分析，在螺栓的選材方面，可以充分地考慮成本因素，在高溫合金剛中選取低成本滿足性能要求的材料，甚至選擇成本更具優勢的普通合金鋼作為替代品。表1為不同項目采用計算機輔助工程(CAE)進行仿真計算后的溫度分布結果。

3 力學性能對比

在試驗條件下，取常用的GH2132、SNB16及SCM435 3種材質作為橫向對比。3種材料的成本由高到低依次為：GH2132、SNB16、SCM435。在不同溫度下，測試抗拉性能與屈服性能對測試結果進行匯總對比，力學性能曲線如圖2所示。

表1 不同項目CAE仿真計算溫度分布結果

從試驗數據可以看出，在520 ℃以下，SCM435的材料力學性能優于SNB16，但從性能的變化范圍考慮，SNB16相同條件下變化范圍更小，穩定性更具優勢。在溫度為500 ℃以上，GH2132的抗拉強度能保持較好的穩定性，體現出高溫合金鋼的材料性能優勢。經綜合對比，缸蓋與增壓器、缸蓋與排氣法蘭連接處，材料選擇優先推薦SCM435，材料成分的差異見表2。

圖2 高溫條件下材料性能對比曲線(樣本統一取M10×1.5螺柱/螺栓進行測試，夾緊長度35～45 mm)

表2 耐熱材質的成分分析

此外，對于增壓器連接后處理位置等溫度超過500 ℃及以上的高溫區域，需按照實際溫度場邊界選用合適的螺栓/螺柱材質。常用的高溫合金鋼材質及參考標準見表3。

表3 推薦常用 耐熱合金鋼類型及參考標準

4 試驗結果對比

目前，某主機廠幾大平臺缸蓋連接增壓器、排氣歧管處的雙頭螺柱采用的材料是SNB16與SCM435。這2種材料在不同平臺的搭載，經研發過程耐久試驗及批量市場驗證均滿足設計要求，雙頭螺柱均無斷裂、脫落或墊片漏氣等相關失效情況產生。

圖3 某機型螺栓/雙頭螺柱的分布示意圖

5 實際對標分析

為確保實際應用的可行性，研發人員選取了行業內主流同類產品進行測試對標。所選取樣品均為缸蓋排氣側安裝雙頭螺柱，用途為增壓器或排氣歧管處的連接。通過對樣品材質進行理化分析檢測，并對照金屬分析表可得出相關樣品的材料牌號，詳見表5。經對比可知，在采集的9個樣品中， GH2132材料為3款，SCM435材料為3款，SWRCH35K(Cr<0.3%，碳鋼)材料為3款。高溫合金鋼(GH2132)占比僅33.3%，符合分析理論。

表4 某機型SNB16改SCM453材料耐久測試結果

表5 各大主機廠主流機型排氣側雙頭螺柱成分鑒定結果

針對上述材料的分析對比，本著工程化、成本考慮，缸蓋連接增壓器、排氣歧管處的雙頭螺柱已逐步采用SCM435進行平臺間通用化設計開發及驗證。其中，某機型缸蓋與增壓器連接處采用SCM435材料替代原有的SNB16材料(固定方式為2個耐熱雙頭螺柱和2個耐熱螺栓)，預計單臺發動機可實現材料降本2元左右。經耐久試驗后拆解評審，排氣墊片無漏氣現象，各雙頭螺柱配合螺母的力矩記錄見表4，螺栓分布的示意見圖3。經對比分析可知，SCM435材質雙頭螺柱同樣滿足該機型缸蓋連接增壓器處的密封要求。

6 結語

排氣系統螺栓力矩衰減、墊片漏氣是常見的失效模式，但隨著近些年缸蓋集成排氣歧管技術的流行，間接規避、改善了以往排氣墊片固定螺栓苛刻的高溫條件。在實際的應用開發中，可根據缸蓋連接處的溫度場，充分利用缸蓋水套的冷卻收益，來降低耐熱雙頭螺柱/螺栓選用材料的耐熱等級，以達到降低成本的目的。根據缸蓋連接增壓器/排氣歧管的應用分析，結合成本收益，優先推薦SCM435材質。本文通過實際分析及對標舉例的說明，同時為排氣系統其他連接位置的耐熱螺栓、雙頭螺柱的材料選型提供了參考。實際應結合發動機臺架耐久試驗及整車動力總成耐久試驗，本文盡可能地模擬了客戶實際的用車工況，并進行充分的設計驗證。本文所列舉的各種材質，為各主流發動機廠常用的耐熱螺栓選用材質，不僅為設計選型初期提供參考，同時也可為耐熱螺栓的平臺化、通用化，提供了理論支撐。