自鎖式高溫防松螺栓的設計開發

藍仁義，劉文元

（1.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537000；2.廣西交通職業技術學院， 南寧 530216）

0 概述

螺栓連接廣泛應用于各種工業領域，有工業之米之稱，傳統的螺紋聯接在靜載荷作用且工作溫度變化不大的情況下，螺紋間松脫力矩小于自鎖力矩，一般不需要采取防松措施阻止螺栓松脫，發動機采用螺紋聯接的零件部在高溫、振動、沖擊等變化因素影響時，會存在螺紋聯接的預緊力逐漸衰減、松動、斷裂等潛在失效情況，導致導響、漏油、漏氣、漏水等故障，影響發動機性能并存在嚴重的安全隱患，因此，可靠的高溫防松技術是確保發動機質量的重要因素，設計穩定可靠的螺紋聯接結構已成為車輛螺紋連接結構設計研究的重點方向之一。

某大型柴油發動機生產廠家在新產品的可靠性試驗過程中，連續出現多個系列的發動機排氣歧管、渦輪增壓器緊固螺栓松脫，導致密封部位的墊片出現燒蝕漏氣等故障，如圖1所示。

圖1 排氣歧管出口法蘭漏氣

為了解決此問題，通過增加螺栓長度并在螺栓與被連接件之間增加一個金屬套以降低螺栓的工作溫度，使螺栓工作在彈性變形區間，可以有效提升抗松馳能力，但長時間振動作下螺栓仍會發生旋轉松脫；施必牢螺紋防松是在內螺紋的牙底加工出30°楔形斜面，在相同的軸向載荷條件下，通過改變外螺紋牙尖接觸點的法向力方向，使螺紋接觸的法向力比普通紋大而產生較大的摩擦力來達到良好的防松效果，施必牢螺紋的連接方法需要在被連接件上同步采用30°楔形斜面螺紋，對螺紋精度及一致性要求高，且裝配復雜。

楔形防松墊圈是通過兩片完全相同的外側帶有方向性的放射狀的密集小齒面，內側為較大的斜齒面，在螺紋緊固時小齒面嵌入緊固件和被聯接件表面，放射狀小齒的齒尖方向與螺栓擰緊方向相反，在螺栓松脫時可以嚙合住螺栓使其只能沿兩墊片楔形表面之間產生位形，由于相互嚙合的內側斜齒面角度“α”大于螺紋升角“β”，使墊圈沿厚度方向擴張的距離大于軸向位移，螺栓被拉長會產生更大的軸力來阻止螺栓的旋轉松動[1]，但此方案裝配復雜、成本高，且沒有針對高溫下使用的墊圈產品，本文在楔形防松墊圈結構原理的基礎上，設計出一種全新的自鎖結構的螺栓連接方案，簡化了結構及裝配工藝，具有成本低，防松效果好等特點。

1 結構設計

本設計方案零件結構主要由1-螺栓與2-墊片兩部分組成，螺栓的法蘭面上設計有與墊片上端面相配合的大斜齒形，墊片的下端面設計有放射狀密集的細齒，根據柴油發動機排氣系統溫度場試驗[2]的測試結構，排氣歧管表面的溫度在481℃～631℃之間，螺栓與墊片均采用耐熱合金結構鋼（25Cr2MoVA或0Cr15Ni25Ti2Mo等）制造，材料性能見表1，墊片采用滲碳工藝使其表面硬度達到600 HV以上，結構如圖2所示。

表1 25Cr2MoVA/0Cr15Ni25Ti2Mo耐熱性能[3]

圖2 螺栓結構示意圖

當螺栓擰緊時，螺栓通過法蘭面的大斜齒形帶動墊片旋轉，墊片下端面的放射狀密集細齒的齒尖方向與螺栓擰緊方向相反，在螺栓擰緊過程中齒尖相對于工件表面滑動，當螺栓擰緊到一定力矩時，由于經滲碳處理墊片表面硬度遠大于工件的表面硬度，螺栓的軸向夾緊力通過墊片的下端面作用于工件，使墊片的放射狀密集細齒楔入工件表面，產生與墊片下端面放射狀密集細齒相配合的壓痕，增大了墊片下端面與工件表面的摩擦系數。

當螺栓擰松時，由于墊片下端面與工件表面的摩擦系數增大，且螺栓擰松時的旋轉方向與墊片下端面的齒尖方向相同，工件上與墊片下端面配合的放射狀密集細齒壓痕形成的摩擦力產生的力矩大于螺栓擰緊時的力矩即可以阻止墊圈的轉動，同時由圖3的結構可知，螺栓與墊片的嚙合的大斜齒形面夾角“α”大于螺紋轉動時的螺紋升角“β”，墊圈沿厚度方向擴張的距離大于沿螺栓軸向可產生的位移，螺栓被拉長，產生更大的軸力，想要擰松螺栓，必須施加一個力矩，使螺栓拉長量大于螺栓法蘭與墊片配合大斜齒面斜邊與齒面斜角正弦值的乘積，方可擰松螺栓。

圖3 防松原理圖

2 試驗驗證

2.1 裝配工藝性優化

為了減少裝配步驟，提高裝配效率，本設計方案在生產時先將栓螺與墊片熱處理，裝配在一起后再滾絲處理的工藝流程，由于滾絲后螺紋大徑大于墊片的孔徑，可以解決楔形墊片在裝配過程中漏裝、丟失等問題，同時通過成本地圖計算，相對于現有裝機兩種結構，其裝配效率由改進前的366 s減少為改進后的174 s，效率提升110%，如表2所示。

表2 成本地圖裝配效率對比分析2.2 擰緊力矩試驗

試驗方案為M8的防松螺栓，強度等級為10.9級，根據高強度螺栓擰緊力矩的推薦值在30N·m～50N·m之間，按力矩間隔值5N·m取5組力矩值測試螺栓擰緊時墊片對工件表面的壓痕情況，如表3所示。

表3 壓痕測試

由圖5可知，通過對螺栓施加不同擰緊力矩，墊片下端面密齒對工件的壓痕深度由淺到深，其中力矩值為35 N·m與40 N·m時工件表面壓痕清晰，力矩為30 N·m的時工件表面壓痕較淺，力矩值為45 N·m與50 N·m時工作表面壓痕模糊混亂，應是螺栓擰緊時力矩過大使墊片下端齒面產生滑移，破壞了工件表面壓痕，可能會導致墊圈與工作接觸面的摩擦系數變差，不能達到防松效果，故根據壓痕測試綜合考慮螺栓擰緊力矩要求，對強度為10.9級的M8自鎖螺栓采用45 N·m的擰緊力矩在原來出現連接部位漏氣故障的機型上進行搭載試驗。

圖5 可靠性試驗拆檢-排氣管密封面

2.2 可靠性試驗

可靠性試驗的前已完成兩種（65 mm與35 mm）長度的M8自鎖螺栓的樣件試制，分別搭載在《YC4A175-T300（A51E00） 500 h故障閉環可靠性試驗》[4]，《 YK800FOSOO2-500 h活塞開裂故障閉環可靠性試驗》[5]兩臺發動機上進行可靠性驗證，試驗完成拆檢如圖4、5、6所示，排氣管與缸蓋結合面密封位置無漏氣熏黑痕跡，墊片兩面也沒有燒蝕與漏氣痕跡，新設計的自鎖螺栓方案通過500 h可靠性試驗驗證，可靠性后拆檢測檢測螺栓的力矩均 在（50～60）N·m不 等，力矩增大的原因主要是擰緊螺栓后防松墊圈會在排氣管與螺栓表面形成壓痕，使墊片下端面的摩擦系數增加阻止了墊片在螺栓拆卸時跟隨螺栓轉動，使螺栓擰松時必須通過螺栓整體的伸長來克服α＞β角引起的阻力，符合設計之初對零件防松結構的預想。

圖4 可靠性試驗拆檢-氣缸蓋密封面

圖6 可靠性試驗拆檢-密封墊片正反面

3 總結與展望

本文詳細介紹了一種基于楔形防松墊圈結構原理開發的高溫螺栓防松螺栓的開發及驗證過程，通過分析柴油發動機上排氣歧管、渦輪增壓器及EGR連接螺栓螺的使用工況，選用合適的耐高溫合金結構鋼，在結構設計過程中，通過采用精益設計的成本地圖分析方法，優化了零件裝配效率，搭載在不同系列的發動機上進行500 h可靠性試驗并順利通過考核，證明此方案在解決排氣管、EGR、渦輪增壓器等高溫件的聯接密封是有效的，為擴大驗證范圍，目前已完成13個機型小批量裝機投放，累計裝機數量達20萬支，并進行了持續1年的市場跟蹤，暫未收到關于此零件引起的質量故障反饋，進一步說明此設計方案對解決發動機高溫件的連接密封是可靠的。