擰緊工藝對機體主軸孔二次把合的變形影響分析

侯增辰，祁小玲，張連杰，馬偉

濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261000

1 序言

主軸孔作為放置軸瓦及曲軸的關鍵結構，其接觸部位是發動機運轉過程中的危險部位之一。機體主軸孔在主軸承蓋螺栓拆除并再次重新裝配后，存在主軸孔尺寸無法恢復到首次加工時狀態的問題[1]。氣缸體與曲軸箱或主軸承蓋存在錯牙與主軸孔失圓問題，導致軸瓦與機體間間隙不均，影響油膜的形成，進而引起發動機摩擦功增大，甚至出現主軸瓦拉瓦等問題，嚴重情況下會導致發動機報廢，因此保證主軸孔的加工精度尤為重要。

主軸孔在各個工藝中的變形失圓過程如圖1所示，具體如下。

圖1 主軸孔失圓過程

1）精鏜主軸孔后，在螺栓擰緊狀態下主軸孔為圓孔。

2）將主軸承螺栓擰松，主軸孔回彈變形，呈現豎橢圓。

3）主軸承螺栓二次擰緊，主軸孔變扁，呈現橫橢圓，同時發生錯位變形。

2 擰緊工藝方案制定

螺紋聯接廣泛應用在氣缸體、曲軸箱和軸承蓋等緊密性要求較高的部位，合適的擰緊工藝設計、控制模式選用和異常因素管控，可以減小主軸孔二次把合造成的孔徑變形。從擰緊控制理論上講，扭矩與轉角控制法相結合優于單純的扭矩控制法。本次試驗對象為某13L柴油發動機機體，機體結構如圖2所示。

圖2 某13L柴油機機體結構

選用適當的預緊力對螺紋聯接的可靠性以及聯接件疲勞強度都是有利的，過大的預緊力會導致整個聯接的尺寸增大。為了保證聯接所需的預緊力，又不使螺紋聯接件過載，在裝配時要控制預緊力和螺栓預緊方式[2]。

該機體采用扭矩轉角法完成主軸承螺栓的擰緊，同時考慮擰緊前進行預擰緊，采用擰緊-暫停-擰緊的方式達到規定扭矩，從而降低擰緊散差[3]。按表1的擰緊工藝擰緊主軸承蓋螺栓，完成曲軸箱與氣缸體的把合。

表1 主軸承蓋螺栓擰緊工藝方案

3 擰緊工藝試驗

對3種不同的擰緊工藝分別進行精鏜主軸孔后、松開并對同工藝二次把合后的各檔主軸孔進行測量，工藝試驗流程如圖3所示。

圖3 工藝試驗流程

實測主軸承螺栓在預緊過程中主軸孔圓周節點三坐標值，并計算主軸孔變形量和接合面錯位變形量。對鏜孔加工后、松開螺栓后到螺栓二次預緊、擰緊螺栓并施加轉角后對各個工步的主軸孔節點坐標進行測量，對比分析不同擰緊工藝對主軸孔二次把合后的變形情況及錯位量的影響，尋找出最優擰緊工藝。

采用三坐標測量設備分別在每檔主軸孔測量截面內進行打點測量，如圖4所示。從主軸孔右側開始沿逆時針方向每隔10°測一個點，測量數值為各測量點到擬合圓心的距離。測量姿態為機體底面朝上，0°與180°為氣缸體與曲軸箱結合面，10°～170°的測點分布在曲軸箱上，190°～350°的測點分布在氣缸體上。

圖4 三坐標測量設備及測量點取點分布

4 試驗數據分析

4.1 擰緊工藝1試驗結果分析

采用擰緊工藝1，二次把合前后各測量點分布情況如圖5所示。二次擰緊后主軸孔出現失圓現象，高度方向曲軸箱到擬合圓心距離減小0.0083mm，氣缸體側到擬合圓心距離減小0.0065mm。曲軸箱為薄壁結構，其剛性比氣缸體差，相同擰緊力矩情況下，曲軸箱的變形量大于氣缸體的變形量。

圖5 擰緊工藝1二次把合前后測點分布情況

4.2 擰緊工藝2試驗結果分析

擰緊工藝2二次把合前后各測量點分布情況如圖6所示。高度方向曲軸箱到擬合圓心距離減小0.0078mm，體側到擬合圓心距離減小0.0047mm，相比擰緊工藝1分別提升6%和27.7%。分步擰緊工藝對氣缸體側主軸孔二次把合變形改善效果優于曲軸箱。

圖6 擰緊工藝2二次把合前后測點分布情況

4.3 擰緊工藝3試驗結果分析

采用擰緊工藝3二次把合前后各測量點分布情況如圖7所示。高度方向曲軸箱到擬合圓心距離減小0.0071mm，氣缸體側到擬合圓心距離減小0.0052mm，相比擰緊工藝1分別提升14.5%和20%。

圖7 擰緊工藝3二次把合前后測點分布情況

4.4 錯位量結果對比分析

對3種擰緊工藝氣缸體與曲軸箱的0°及180°方向上孔徑的變化情況進行測量統計，對比見表2。

表2 各擰緊工藝的二次把合前后孔徑變化對比（單位：mm）

計算各擰緊工藝二次把合產生的錯位量如圖8所示。采用擰緊工藝1，氣缸體與曲軸箱的最大錯位量為0.0189mm，平均錯位量為0.0070mm；采用擰緊工藝2，氣缸體與曲軸箱的最大錯位量為0.0111mm，平均錯位量為0.0044mm；采用擰緊工藝3，氣缸體與曲軸箱的最大錯位量為0.0046mm，平均錯位量為0.0032mm。

圖8 不同擰緊工藝各檔錯位量

采用分步預緊工藝對錯位量均有不同程度的改善，其中擰緊工藝3對錯位量的改善效果最好。

4.5 主軸孔圓度、圓柱度對比分析

主軸孔截面擬合圓的圓度及改進幅度如圖9所示。相比擰緊工藝1，擰緊工藝2各檔主軸孔截面圓度誤差平均改善10.2%，最大改善22%；擰緊工藝3各檔主軸孔截面圓度誤差平均改善23.5%，最大改善34.4%。

圖9 不同擰緊工藝二次把合后各檔主軸孔圓度

主軸孔截面擬合圓的圓柱度及改進幅度如圖10所示。相比擰緊工藝1，擰緊工藝2各檔主軸孔截面圓度誤差平均改善5.6%，最大改善23.6%；擰緊工藝3各檔主軸孔截面圓度誤差平均改善14.9%，最大改善37.6%。

圖10 不同擰緊工藝二次把合后各檔主軸孔圓柱度

5 結束語

由于氣缸體與曲軸箱剛度存在差異性，所以曲軸箱高度方向的變形量大于氣缸體。采用分步預緊把合可改善氣缸體與曲軸箱高度方向的變形量，氣缸體變形量改善提升20%～27.7%，曲軸箱高度方向變形量改善提升6%～14.5%。

分步擰緊工藝對于錯位及主軸孔圓度、圓柱度改善明顯，錯位量由0.007mm減小為0.0032mm，提升54.3%，圓度提升34.4%，圓柱度提升37.6%。

對于曲軸箱結構，先預緊一側主軸承螺栓，后預緊另一側主軸承螺栓，同時采用分步擰緊工藝，改善效果更優。