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发动机的连杆螺栓及其紧固

紧固件产业 紧固件杂志?】螺纹连接是汽车、内燃机等众多机械行业装配作业中广泛采用的一种方法。连杆的大端的紧固螺栓时柴油机重要的连接件,发动机连杆螺栓不但要承受很大的扭力和拉力,而且在气缸的压缩和爆发行程中,还要受到每分钟上千次交变应力的冲击。由于连杆自身的运动和受力比较复杂,导致螺栓的损坏时有发生,人为的装配和使用不当是螺栓损坏的重要因素。如果不正确使用连杆螺栓,就容易使其松动、断裂。一旦紧固螺栓发生断裂性事故,将可能导致烧瓦抱轴或捣烂机体的严重事故,其后果不堪设想。

一、发动机连杆螺栓的作用

连杆螺栓是用来连接连杆体和连杆盖,并保证它们在任何情况下完全密合,不留间隙。连杆螺栓主要受下述两方面力的作用其一承受装配时的预紧力,这个力是大小和方向都不变的静载荷;其二承受由活塞连杆往复运动质量惯性力和连杆旋转质量离心力的交变载荷。

例如在膨胀过程活塞位于上止点时,气体压力大于往复运动惯性力和离心力之和,连杆受到压缩,这时往复惯性力和离心力对连杆螺栓的作用等于零。而在进气过程活塞位于上止点时,这个往复惯性力和离心力,就对连杆螺栓进行拉伸。发动机连杆组的相关零件。

此外,当连杆大、小头的轴承磨损间隙增大时,连杆螺栓还受到冲击载荷。由于连杆大头孔变形还使连杆螺栓受到弯曲作用。因此,连杆螺栓的受力是复杂的。

为了增大曲柄销直径而又要活塞连杆组能从气缸中取出,连杆大头的外形轮廓尺寸受到限制,这就迫使连杆螺栓直径不可能任意加大,所以连杆螺栓处在很高应力的条件下工作。

发动机运行时,如果连杆螺栓断裂,将会造成重大事故,使曲轴箱、曲轴和连杆毁坏,甚至危及工作人员的人身安全。因此,连杆螺栓不仅应具有适当的预紧力,以保证连杆体与连杆盖密合无隙。而且在很高应力条件下,也应保证工作完全可靠,不发生疲劳损坏事故。

二、连杆螺栓的加工工艺、技术要求及提高疲劳强度措施

1.连杆螺栓的加工工艺

连杆螺栓时发动机上的一种重要紧固连接件。连杆螺栓形状。工作时它要承受冲击性的周期交变拉应力和装配预应力的作用。发动机运转中,它一旦破断就会引起严重事故。因此,要求它具有足够的强度、冲击韧度和疲劳抗力。

在汽车制造业中选作连杆螺栓的材料较多,如45钢、40Cr、40CrNi、40MnB钢等。发动机的连杆螺栓多采用屈服极限高和冲击韧性好的中碳合金钢或铬镍钼合金钢,如35CrMo、42Mn2V、40MnB和30Ni3Cr2Mo等。但综合比较各钢种的力学性能、工艺性能与经济性,经实践验明,40Cr钢能达到各项技术指标要求,是制作连杆螺栓较为理想的材料。

连杆件一般加工工艺为:下料→模锻成形→正火→粗加工(切削)→调质→精加工。

连杆螺栓通常选用40Cr钢经调质工艺处理即可满足使用要求。螺杆螺栓加工工艺与连杆件加工工艺相仿。

2.连杆螺栓的技术要求

连杆螺栓调质处理硬度应达到39~44HRC,同一根螺栓上硬度差不大于3HRC个单位,索氏体级别1级;

连杆螺栓冷镦或锻打模压制成,其宏观组织应具有符合外形的纤维方向,不允许有割断流线和应力集中处存在;

杆身、螺纹部分和头部支承面不允许有毛刺、裂纹、伤痕、锈蚀等缺陷,但在保证螺纹能正常旋入的条件下,螺纹末端两牙允许有不完整螺纹存在;

连杆螺栓应经磁力探伤检测,探伤后作退磁处理;

去除锐边、毛刺;

表面发黑处理;

其余要求按JB/T8416—1996《内燃机连杆螺栓技术条件》执行。螺栓的机械性能应不低于GB/T3098.1—2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺栓》中规定的性能等级12.9级。

连杆螺栓结构在选用中的主要问题是疲劳强度。因此,要采取各种措施来提高其疲劳强度,并且避免螺栓受附加的应力。提高连杆螺栓疲劳强度的方法有很多,可采取如下措施在制造和使用中多加注意和采用。

3.提高疲劳强度措施

3.1减小螺栓的刚度

减小连杆螺栓工作时的脉冲负荷,可以提高螺栓的疲劳强度。降低基本载荷系数就能减少螺栓的脉冲负荷。减小连杆螺栓的刚度和提高连杆大头的刚度,都可降低基本载荷系数。降低连杆螺栓刚度的办法是减小螺栓光杆部分的直径和增加螺栓的长度。螺纹根部有应力集中,是螺栓的薄弱环节,从杆身和螺纹等强度考虑,可以将杆身直径小于螺纹根部直径(一般杆身直径可等于螺纹根径的0.8倍)。从降低螺栓刚度,提高螺栓的疲劳强度考虑,这样做是合适的。应该指出,从增大被连接件刚度,减小基本载荷系数,从而提高连杆螺栓的疲劳强度考虑,被连接件之间应避免采用软质垫片,更不允许采用弹簧垫圈。

3.2改善螺纹的载荷分布

理论与实践都已证明,由于工作时螺栓主体材料发生的是拉伸变形,螺母主体材料发生的是压缩变形,结果导致螺纹各圈上的载荷分布不均匀。头几圈螺纹根部的应力比后面螺纹的应力要大得多。有资料表明,在所有断裂的螺栓中,约65%左右是在螺母支承面算起的第一、二圈螺纹处疲劳断裂。为了改善螺纹的载荷分布,方法之一是将螺纹的头圈切成10~15°的倒角。由于这几圈螺纹容易变形,便将一部分载荷转移到后面各圈的螺纹上去,使整个载荷分布均匀。改善螺纹载荷分布的另一种方法是采用受拉螺母使螺母的变形方向与螺栓一致,螺纹各圈的载荷也就比较均匀。



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