淺談螺栓擰緊力矩對連桿大頭孔變形的影響

扈炳升，李傳旭，周全剛，方桂景

濰柴控股集團(tuán)有限公司 山東濰坊 261000

連桿是內(nèi)燃機(jī)的主要傳力零件之一，它的主要作用是將氣缸內(nèi)氣體燃燒后作用在活塞頂端的爆發(fā)壓力傳遞給曲軸，并將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而輸出動力。連桿在工作中承受著急劇變化的動載荷，而連桿與曲軸連接的主要部位就是大頭孔。

為了方便連桿與曲軸的裝配，柴油機(jī)的連桿大頭一般設(shè)計為剖分式的結(jié)構(gòu)，在連桿大頭孔與曲軸的曲柄銷中間裝配軸瓦以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)性能。在大頭孔精加工過程完成后，需要拆下螺栓進(jìn)行去毛刺、稱重量配臺等后續(xù)加工以及檢測，直至裝入軸瓦進(jìn)行整機(jī)裝配，需要多次重復(fù)合裝。為了使連桿軸瓦能夠很牢固的與連桿體和連桿蓋貼合在一起，設(shè)計規(guī)定在裝配前，連桿軸瓦的半圓周長要比連桿大頭孔半圓周長大一定的尺寸，需要靠裝配中的螺栓預(yù)緊力把這個長高出來的微小部分“壓縮”掉。但是由于裝配過程中連桿軸瓦被壓縮，產(chǎn)生的反作用力會導(dǎo)致連桿體和連桿蓋產(chǎn)生變形，直接造成裝配后連桿大頭孔的變形即孔的失圓。連桿軸瓦與曲軸的連桿軸頸之間的配合間隙產(chǎn)生偏差，也就直接影響了在連桿大頭瓦孔與曲軸之間的油膜的形成，導(dǎo)致連桿軸瓦與曲軸軸頸在工作中容易被破壞，嚴(yán)重影響柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能、噪聲、可靠性及使用壽命。而連桿又是檢修柴油機(jī)時經(jīng)常拆卸的零件，因此必須消除或減小連桿大頭孔在多次重復(fù)合裝后的變形。

連桿大頭孔變形的問題描述

1.連桿大頭孔的結(jié)構(gòu)特點及變形情況簡介

該款柴油機(jī)連桿大頭設(shè)計為典型的斜切口結(jié)構(gòu)，結(jié)合面理論嚙合中心線與大小頭孔中心連線的斜角為40°，兩個M20×1.5的螺栓將連桿體、蓋擰緊合裝形成大頭孔，產(chǎn)品圖樣要求螺栓在整機(jī)裝配時的擰緊力矩為400N·m，裝配技術(shù)條件規(guī)定分四次交叉擰緊螺栓：80 N·m、200 N·m、300 N·m、400 N·m，而在加工過程的合裝擰緊力矩為290±10N·m，分兩次交叉擰緊；連桿體與連桿蓋采用V形齒定位，定位齒的V形夾角為60°，齒頂距嚙合中心線高度，4個嚙合齒的齒節(jié)距誤差±0.05m m；連桿大頭孔為φ145H6，圓柱度要求0.008mm，表面粗糙度要求Ra＝0.8μm。

2.生產(chǎn)工藝簡介

連桿材料為42CrMoA，毛坯為整體模鍛，完成部分粗加工工序后，連桿體、蓋銑開并配對加工定位V形齒和螺栓孔，再將連桿體、蓋合裝到一起進(jìn)行大頭孔的精加工等其他工序。加工、裝配時連桿體、蓋的合裝均由計算機(jī)控制的螺栓擰緊機(jī)實現(xiàn)，完全可以保證合裝力矩的圖樣要求，使用進(jìn)口的數(shù)顯扭矩扳手定期檢查擰緊力矩。表1為主要的機(jī)械加工工藝過程。

表1 連桿體、蓋主要加工過程

連桿大頭底孔的加工分為：粗鏜、半精鏜、精鏜等工序，在半精鏜工序后安排松開連桿螺栓釋放加工應(yīng)力，然后進(jìn)行精加工；為保證連桿大小頭孔的位置精度，減小切削熱對大頭孔加工精度的影響，大頭孔以微小余量與小頭襯套孔一起精鏜。

在連桿加工工藝的持續(xù)改進(jìn)過程中，大小頭孔中心線的平行度、大小頭孔的中心距、大頭孔中心線與大頭孔兩端面的垂直度、連桿螺栓孔的加工精度及與分開面的垂直度已經(jīng)采用不同的工藝方法得到解決，結(jié)合面定位V形齒的加工精度也已通過專用設(shè)備得到有效控制。而大頭孔的變形，因問題多在裝配時暴露，且受綜合因素影響，一直未徹底解決。

3.大頭孔的變形情況及測量數(shù)據(jù)

連桿大頭孔在加工工序間的變形問題表現(xiàn)并不十分突出，對完成大頭孔精鏜工序的連桿進(jìn)行測量，很少出現(xiàn)有大頭孔不合格的現(xiàn)象，無論是孔的尺寸、形狀還是其他要素的位置精度，都能滿足產(chǎn)品圖樣的設(shè)計要求，具體測量位置如圖1所示。但在拆下螺栓再次合裝及在裝配大頭軸瓦后，連桿大頭孔則出現(xiàn)較大變形。測量結(jié)果顯示，大頭孔與原機(jī)械加工工序檢驗尺寸、理論計算尺寸存在較大的差距。

圖1 連桿大頭孔測量位置

連桿大頭孔的不合格主要表現(xiàn)為孔的圓柱度超差，可歸納為以下幾種情況。

1）與體、蓋剖分面垂直方向，孔的尺寸出現(xiàn)變化。

2）沿剖分面方向，連桿體與連桿蓋產(chǎn)生錯位。從測量數(shù)值上看錯位量非常微小，如用尖銳物（薄鐵片）、指甲等沿剖分面處的內(nèi)孔圓周擦拭，即可檢測到這種錯位。

3）沿孔的軸線方向，孔的尺寸不一致。

4）在孔的軸線方向，連桿體與連桿蓋產(chǎn)生錯位，這種錯位對孔的尺寸影響不大，嚴(yán)格來講并不屬于孔的變形問題，但對連桿與曲軸間的配合運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生不利影響。

為了探究連桿大頭孔的變形情況，我們隨機(jī)抽取了6件連桿在完成全部加工工序后進(jìn)行再次合裝及裝配軸瓦，分別測量大頭底孔和軸瓦孔的變化情況，結(jié)果見表2和表3。

表2 連桿大頭底孔再次合裝測量結(jié)果 （單位：mm）

表3 連桿大頭瓦孔合裝測量結(jié)果 （單位：mm）

連桿大頭孔變形的主要原因分析

連桿大頭孔在多次重復(fù)合裝或裝配軸瓦后出現(xiàn)變形的情況，是由多種原因造成的，歸納起來主要有以下幾種主要原因。

1）連桿螺栓的定位面與連桿蓋干涉，在前期的質(zhì)量改進(jìn)過程中，設(shè)計人員已經(jīng)做了圖樣改進(jìn)，將連桿蓋的厚度尺寸與連桿體一致改為了比連桿體小2mm，從而消除了由此引起的干涉導(dǎo)致的大頭孔變形問題。此問題不作為本文研究的對象，故不再贅述。

2）連桿定位V形齒的加工質(zhì)量問題。定位V形齒是連桿體、蓋合裝時的定位基準(zhǔn)，其加工質(zhì)量的好壞直徑影響大頭孔在沿剖分面方向和大頭孔軸線方向的尺寸變化，極易引起孔的失圓。

3）連桿螺栓擰緊力矩的影響。柴油機(jī)連桿依靠螺栓預(yù)緊力將連桿體、連桿蓋和連桿軸瓦結(jié)合為一個整體來承受負(fù)荷，螺栓預(yù)緊力的計算和控制比較嚴(yán)格。預(yù)緊力F0應(yīng)包含以下兩個部分：保證軸瓦過盈所必需的壓緊力F1；保證連桿大頭運(yùn)動時體、蓋不分離所必須的壓緊力F2。螺栓的預(yù)緊力則是由連桿螺栓的擰緊力矩T來間接控制。

如圖2所示，公司該款連桿軸瓦在檢具內(nèi)一端受F=20981N壓力壓緊時半圓周長的高出度H最大為0.0845mm，最小為0.0445mm（大頭底孔按理論最小尺寸計算）。

圖2 連桿軸瓦

薄壁軸瓦在裝配時，由于存在過盈量，致使連桿蓋與連桿體結(jié)合面之間存有間隙，壓緊軸瓦使結(jié)合面剛好貼合所需的裝配壓力F1=F2+F3。F3可按下式計算：

式中D1——為連桿大頭底孔直徑（按理論最小尺寸計算）；

tε——為軸瓦的等效壁厚；

B——為軸瓦寬度。

計算得出所需最大裝配壓力F3max=1.92×104N，最小裝配壓力F3min=1.01×104N，取其平均值F3=1.465×104N，則F1=3.56×104N。

預(yù)緊力F0是由連桿螺栓的擰緊力矩T來間接控制。T由克服螺紋副的螺紋摩擦力矩T1及螺栓與連桿蓋支承平面間的摩擦力矩T2構(gòu)成。

式中d——螺紋公稱直徑；

F0——預(yù)緊力；

K——擰緊力矩系數(shù)。

式中d2——螺紋中徑；

ψ——螺紋升角；

pν——螺紋當(dāng)量摩擦角，pν=arctan(uν)，uν為螺紋當(dāng)量摩擦因數(shù)；

fc——螺母與被連接件支承面間的摩擦系數(shù)；

Dw——螺母的有效支承面直徑；

d0——螺栓孔的最大直徑。

式中fc、K的值分別見表4、表5。

表4 fc值

表5 K值

按加工和裝配工藝要求，連桿螺栓在擰緊前都要在螺紋表面及支承面處涂適量潤滑油，在螺栓的擰緊力矩T=400N·m時，可得連桿螺栓的預(yù)緊力F0=2×105N。

連桿體與連桿蓋結(jié)合面之間的壓緊力：

F2數(shù)值，實際上就是連桿軸瓦裝配后作用在連桿體、連桿蓋結(jié)合面上的壓緊力。在加工狀態(tài)時，由于沒有裝配連桿軸瓦，所以連桿螺栓擰緊力矩所產(chǎn)生的壓緊力F0全部作用在結(jié)合面上，即F0=2×105N＞F2=1.664×105N，使加工、裝配時連桿體、蓋結(jié)合面的受力狀態(tài)不一致，受連桿體與連桿蓋剛度及其他因素影響，大頭孔的尺寸在兩個不同狀態(tài)時也會發(fā)生變化。按F2=1.664×105N進(jìn)行計算，加工時連桿螺栓的擰緊力矩應(yīng)為：

由此可見，加工連桿大頭孔時，連桿螺栓的擰緊力矩T=332.8N·m，才有可能使連桿體與連桿蓋的受力狀態(tài)在軸瓦裝配前后接近一致。

4）連桿剛度對變形的影響。大頭孔之所以在軸瓦裝配前后產(chǎn)生較大的變形量，除了定位因素以外，一個最根本的原因就是連桿大頭孔部位的剛度小。若此處結(jié)構(gòu)的剛度足夠大，只要保證了連桿體、蓋的定位準(zhǔn)確性，從理論上來說連桿螺栓的擰緊力矩對孔的變形影響輕微。但在實際中，受結(jié)構(gòu)限制和盡可能地減小轉(zhuǎn)動慣量等的要求，此處的剛度不可能設(shè)計的過大。在無法實現(xiàn)整個圓周上剛性相同且足夠大的前提下，連桿螺栓預(yù)緊力與軸瓦過盈產(chǎn)生的力很容易使連桿體或連桿蓋在剛性較差的部位產(chǎn)生變形。表2、表3中孔的尺寸偏差最大的位置幾乎都集中在圖1中的1方向上。結(jié)合產(chǎn)品簡圖可以看出，無論連桿體還是連桿蓋，剛性最差的方向就是1方向，也就是連桿螺栓預(yù)緊力影響最大的方向。

其他的一些因素，如加工應(yīng)力、零件材料等對大頭孔的變形也會產(chǎn)生一定的影響，但處于次要地位，本文僅就以上因素進(jìn)行研究。

解決措施

經(jīng)過對連桿大頭孔變形問題的進(jìn)行分析后，可以這樣認(rèn)為，要想從生產(chǎn)工藝上解決連桿大頭孔變形問題，重點應(yīng)該解決以下問題。

1.保證連桿體與連桿蓋定位的準(zhǔn)確性

主要工藝手段就是提高連桿體、蓋定位V形齒的加工質(zhì)量。在前期的工藝質(zhì)量提升中，已經(jīng)通過工藝手段將連桿定位V形齒的加工質(zhì)量得到有效的控制，加工精度基本滿足圖樣要求。此問題不作為本文研究的對象，故不再贅述。

2.確定加工中合適的連桿螺栓的擰緊力矩

根據(jù)前面的分析和計算，連桿螺栓的擰緊力矩在加工大頭孔時為332.8N·m，連桿在拆開后多次重復(fù)合裝或連桿軸瓦在裝配使用400N·m擰緊力矩時，有可能使連桿大頭孔在不同的合裝狀態(tài)下保持不變形。實際上由于連桿大頭的結(jié)構(gòu)特點和剛性問題，所以在合裝力的作用下會產(chǎn)生變形。在選取各參數(shù)計算時，往往根據(jù)資料上的經(jīng)驗數(shù)據(jù)、典型材料和理論尺寸，得出的螺栓擰緊扭矩值是理想化的，與實際值存在一定的偏差。若按計算出的332.8N·m螺栓擰緊力矩合裝連桿體、蓋進(jìn)行加工大頭孔，拆開后再次合裝大頭孔依然會發(fā)生變形。因此，要確定合適的螺栓擰緊力矩，必須依靠工藝試驗取得。連桿產(chǎn)品圖樣中要求的螺栓擰緊力矩229N·m，是在樣試及小批生產(chǎn)的的工藝過程中使用扭矩扳手合裝試驗得出的。隨著大批量生產(chǎn)工藝實施，合裝手段已經(jīng)改為螺栓擰緊機(jī)控制，扭矩的一致性控制比較準(zhǔn)確，但拆開后再次合裝或裝軸瓦后大頭孔依然會發(fā)生變形。為此，對加工中連桿體、蓋合裝時螺栓的擰緊力矩，進(jìn)行了專門的研究，通過多次加工工藝試驗，最終確定大頭孔變形最小時使用的連桿螺栓擰緊力矩。

根據(jù)前面的分析和計算及產(chǎn)品圖樣的合裝力矩要求，設(shè)計工藝試驗方案。經(jīng)分析討論，確定在連桿半精鏜工序后，在不同力矩值下（270N·m、290N·m、310N·m、330N·m、350N·m、380N·m、400N·m）合裝并進(jìn)行后續(xù)精加工，分別測量精鏜加工后底孔孔徑、原力矩重新合裝后底孔孔徑，合裝400N·m底孔孔徑、裝瓦合裝后孔徑，并記錄測量數(shù)據(jù)。具體測量位置如圖3所示。

圖3 連桿體檢測位置

試驗的實施：在不影響生產(chǎn)組織的前提下，簡化試驗過程，選取35件連桿進(jìn)行加工工藝試驗，分7組，每組5件，并按組分別記錄好每件連桿的配對號；按照工藝要求，進(jìn)行連桿體、蓋合裝，合裝力矩為：第一組270N·m、第二組290N·m、第三組310N·m、第四組330N·m、第五組350N·m、第六組380N·m以及第七組400N·m，并記錄每個螺栓合裝力矩。按照工藝試驗設(shè)計方案進(jìn)行加工工藝試驗，并記錄測量數(shù)據(jù)。試驗過程不再贅述。

試驗結(jié)果分析：從試驗記錄的表中數(shù)據(jù)可以看出，連桿精鏜大頭孔工序加工完成后，七組連桿的大頭孔底孔孔徑、圓柱度均滿足工藝要求。

拆開連桿體、蓋重新按原加工力矩再次合裝后，大頭孔底孔孔徑出現(xiàn)變差。在垂直于大頭剖分面方向，即圖3中的A-1，B-1方向孔徑變小，隨加工力矩增大，此方向孔徑減小的越大，270N·m、290N·m、310N·m、330N·m、350N·m力矩等五組連桿此方向孔徑減小值大體介于-0.005～-0.013mm之間；380N·m、400N·m等兩組連桿此方向孔徑減小值大體在-0.024mm左右，即合裝力矩超過380Nm時此方向孔徑出現(xiàn)急劇減小；在接近大頭剖分面方向，即圖3中的A-2、B-2、A-3、B-3方向孔徑變大，但變大不明顯，變差在0～0.01mm。將重新合裝后每組連桿大頭孔六點處孔徑變差取平均值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 原力矩重新合裝后各組連桿的孔徑分布

對按原加工力矩重新合裝后的每組5件連桿大頭孔徑的圓柱度進(jìn)行測量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 原力矩重新合裝后各組連桿的圓柱度分布

從圖中可以看出，隨原合裝力矩的增大，再次合裝連桿體、蓋后，大頭孔的圓柱度呈現(xiàn)變大的趨勢。同一組5件連桿中，兩次合裝力矩為380N·m一組中，大頭孔圓柱度波動范圍最穩(wěn)定。

拆開連桿體、蓋，各組連桿重新按400N·m力矩合裝后，大頭孔底孔孔徑出現(xiàn)變差：在垂直于剖分面方向，即圖3中的A-1，B-1方向孔徑變小，隨加工合裝力矩增大，此方向孔徑減小的越少，孔徑減小值介于-0.035～-0.06mm；在接近大頭剖分面方向即A-2、B-2、A-3、B-3方向孔徑變大，隨力矩增大，此方向孔徑增大的越少，變差在0.01～0.02m m左右。將重新合裝后每組連桿大頭孔六點處孔徑變差取平均值，結(jié)果如圖6所示。

圖6 按400N·m力矩重新合裝后各組連桿的孔徑分布

對按400Nm力矩重新合裝后的每組5件連桿大頭孔徑的圓柱度進(jìn)行測量，結(jié)果如圖7所示。

圖7 按400N·m力矩重新合裝后各組連桿的圓柱度分布

從圖中可以看出，由于前后兩次合裝力矩不一致，按400N·m力矩重合裝后大頭孔出現(xiàn)失圓，隨原加工合裝力矩的增大，圓柱度逐漸變小，即再次合裝力矩越接近原加工合裝力矩，底孔圓柱度越小。

每組連桿按400N·m裝配軸瓦再次合裝，各組連桿的圓柱度分布如圖8所示。從圖中可以看出，按400N·m力矩裝配軸瓦再次合裝后，原加工合裝力矩為400N·m、380N·m、350N·m力矩組中軸承孔圓柱度較小，介于0.01～0.025mm，即此種狀態(tài)下連桿軸承孔與曲軸連桿頸配合間隙比較均勻，與其形成的運(yùn)動副磨損也比較均勻；原加工合裝力矩為270N·m、290N·m、310N·m、330 N·m力矩組，圓柱度波動范圍大，不穩(wěn)定。

圖8 按400N·m力矩裝配軸瓦再次合裝后各組連桿的圓柱度分布

結(jié)語

綜上所述，連桿體、蓋合裝時螺栓的擰緊力矩，是在裝入軸瓦或多次重復(fù)合裝時，造成大頭孔變形（即孔的失圓）的重要原因。加工狀態(tài)時螺栓的擰緊力矩小于裝配狀態(tài)，對改善裝配后孔的徑向變形極為有效；且需經(jīng)過多次的工藝試驗，確定在連桿加工過程中合裝使用的擰緊力矩。裝配要求合裝力矩為400N·m的連桿，在加工中的擰緊力矩控制在360～380N·m時，大頭孔變形最小。