曲軸皮帶輪螺栓強度校核

關鍵詞：曲軸皮帶輪;螺栓;強度;安全系數

0 引言

發動機運行過程中，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行力矩的傳遞，進而帶動曲軸前端的一系列輪系進行轉動。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，其強度對曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪的有效連接起著至關重要的作用[1]。若曲軸皮帶輪螺栓提供的夾緊力在曲軸和皮帶輪及曲軸鏈輪之間形成的摩擦力矩，不足以傳遞它們之間的相對轉動力矩，則曲軸、皮帶輪和曲軸鏈輪之間會產生打滑現象，從而造成發動機運行失效。因此對曲軸皮帶輪螺栓的強度進行校核，是發動機前期開發必不可少的一個環節。

本文以某型號發動機為例，說明曲軸皮帶輪螺栓的校核過程。曲軸皮帶輪螺栓規格如表1所示。

1 發動機前端負載分析

發動機前端負載包括發電機驅動扭矩、水泵驅動扭矩、機油泵驅動扭矩、進排凸輪軸驅動扭矩、真空泵驅動扭矩、空調壓縮機驅動扭矩和曲軸前端扭振力矩等。其中，發電機、水泵和空調壓縮機的驅動扭矩通過皮帶傳遞到曲軸皮帶輪上。真空泵和進排氣凸輪軸的驅動扭矩通過鏈條傳遞，與直接通過機油泵轉子傳遞的機油泵驅動扭矩一起傳遞到曲軸鏈輪上。由于曲軸系統在運轉過程中會產生扭振，因而曲軸前端會產生附加的扭振力矩。

在發動機運行過程中，隨發動機轉速不同，上述各輪系的負載變化也不相同。因此需要逐一轉化各輪系的驅動扭矩到相同的發動機轉速下進行疊加，才能得到隨曲軸轉速的發動機前端需要傳遞的最大扭矩。

因而，也產生了3個摩擦接觸面（圖2），從左到右依次為：曲軸皮帶輪螺栓頭底面與曲軸皮帶輪摩擦面，曲軸皮帶輪與曲軸鏈輪摩擦面，以及曲軸鏈輪與曲軸摩擦面。這3個摩擦接觸面都是端面接觸。

2 發動機前端負載疊加計算

各輪系部件隨各自轉速的驅動扭矩，需要轉化為隨曲軸轉速變化的扭矩，才能進行疊加計算。下面以水泵皮帶輪為例，說明轉化的過程。

水泵轉速與曲軸轉速的對應關系為：

同理，可得各輪系部件轉化成曲軸的轉速。將曲軸轉速下的各輪系部件扭矩對應相加，得到曲軸前端的總扭矩（表2）。

將各輪系部件隨曲軸轉速的驅動扭矩和曲軸前端扭振力矩曲線畫在同一坐標內，橫坐標為曲軸轉速，縱坐標為各輪系部件的扭矩和總扭矩（圖2）。

從圖2可以看出，總扭矩最大值Tmax 為198Nm，發生在曲軸轉速4000r/min 的時候，且曲軸前端扭振力矩遠大于其他輪系的驅動扭矩。因此，最有可能發生滑動的摩擦面是曲軸鏈輪與曲軸接觸的端面。

3曲軸皮帶輪螺栓夾緊力計算

由于曲軸皮帶輪螺栓采用屈服擰緊，所以其產生的夾緊力計算如下：

4摩擦力矩計算

由前文可知，最有可能發生滑動的摩擦面是曲軸鏈輪與曲軸接觸的端面。因此，應該校核該端面能否提供足夠大的摩擦力矩。

由曲軸皮帶輪螺栓夾緊力作用在曲軸鏈輪和曲軸摩擦接觸面上產生的摩擦力矩計算如下：

5比較摩擦力矩與最大力矩

從上述分析計算可知，由曲軸皮帶輪螺栓夾緊力作用在曲軸鏈輪和曲軸摩擦接觸面產生的摩擦力矩T，大于曲軸前端的最大扭矩Tmax。它們的比值稱為該螺栓的安全系數：

若規定曲軸皮帶輪螺栓的安全系數評價標準為大于1.2，則該螺栓的安全系數S 小于1.2。因此該曲軸皮帶輪螺栓的強度不符合評價標準，即該螺栓強度不滿足設計要求。應通過適當的優化措施，以提高螺栓的安全系數。

6 優化措施

從公式（2）、（5）和（6）可以看出，優化措施可以考慮從以下幾個方面入手：增大螺栓直徑（應力截面積增大）;增大曲軸鏈輪與曲軸接觸面有效半徑;減小曲軸前端總扭矩。

由于曲軸前端總扭矩的構成中，曲軸前端扭振力矩占了絕大比例。但一般發動機性能目標及曲軸系統確定后，曲軸扭振力矩所能降低幅度有限。因此，減小曲軸前端總扭矩這個措施不是最理想的。

通過觀察公式（5）可以看出，通過更改曲軸鏈輪與曲軸接觸面的半徑，對于提高摩擦面的有效半徑效果不是很明顯。所以提高曲軸鏈輪與曲軸接觸面有效半徑這個措施也不是很理想。

從公式（2）可以看出，通過增大螺栓直徑（應力截面積）的方法，能較大幅度地提高螺栓夾緊力，從而形成較大的摩擦力矩。增大的曲軸皮帶輪螺栓規格如表3所示。

查表可得，規格為M14×1.5的螺栓的應力截面積為125.0mm2。

所以，其夾緊力為：

F=0.85×940×125=99 875 N

曲軸鏈輪與曲軸之間產生的摩擦力矩為：

所以，新的螺栓強度滿足設計要求。

7 結束語

本文從最有可能發生滑動的接觸面（曲軸鏈輪與曲軸摩擦接觸端面）入手，分析并計算出了某型號發動機的曲軸皮帶輪螺栓M12×1.5在屈服擰緊的情況下，提供的摩擦力矩小于1.2倍的曲軸前端總扭矩，得出該螺栓強度不滿足設計要求。通過提高螺栓直徑的方法后，螺栓強度得以滿足設計要求。