康明斯ISDe发动机主轴承盖螺栓预紧力与拧紧规范研究

通过理论计算康明斯ISDe 发动机主轴承盖螺栓装配所需的预紧力值，再通过试验标定方法找出当量预紧力与螺栓伸长量的关系曲线，根据标定的预紧力—伸长量关系曲线，采用内插法确定螺栓的装配预紧力，同时研究气缸体机械加工线和发动机装配线上不同的拧紧规范对螺栓装配预紧力的影响， 从而选择最佳的拧紧规范以满足主轴承盖螺栓的装配预紧力要求。

主轴承盖螺栓预紧力的理论基础及计算

1、主轴承盖螺栓预紧力的理论基础

主轴承盖螺栓的作用是确保主轴承盖和气缸体的可靠连接， 连接后必须承受连杆的惯性力和燃烧爆发压力施加给曲轴的载荷， 这其中包含弯曲载荷和轴向载荷， 同时主轴承盖螺栓还对主轴承盖起到轴向定位的作用。

主轴承盖螺栓的装配预紧力确保气缸体和主轴承盖连接成一体， 同时可以理解为螺栓拧紧后的夹紧力，它有最小预紧力和最大预紧力之分。最小预紧力与螺栓连接时的分离力、磨损以及两零件的相互摩擦力相关；最大预紧力常常受到螺栓的强度限制，有时过载也是一个影响因子， 连接件的开裂或扭曲变形也是影响最大预紧力的一个因素。预紧力是一个变量，它随着螺纹的轮廓，螺纹接触表面的摩擦力， 螺栓头部法兰面与连接零件表面的摩擦力以及拧紧规范的变化而有差异。因此预紧力不能通过直接计算得出， 但是它完全可通过实验

数据得到。因此在螺栓的设计初期，开发合理的拧紧规范和用统计分析方法得到螺栓的预紧力是必须考虑的。康明斯通过多年开发关键紧固件的经验积累，得到了不同的拧紧规范与预紧力散差之间的关系，详见表1。

2 主轴承盖螺栓预紧力的计算

ISDe 发动机主轴承盖螺栓选用12．9 级的高强度螺栓，规格为MJ12×1．5，其极限拉伸强度为1 170～1 290 MPa，它的示意图详见图1。

结合气缸体机械加工线和发动机装配线上的自动拧紧设备， 选用了力矩加转角的拧紧规范以达到装配预紧力的要求，下面是ISDe 发动机主轴承盖螺栓预紧力的计算。当用力矩加转角的拧紧规范时用下式计算螺栓预紧力：

式中，T 为施加力矩； k 为经验系数（与平均预紧力、名义力矩及物理摩擦系数有关）；D 为螺纹名义直径；θR为螺栓转角；p 为螺纹径节；KB为螺栓刚度。KB可通过下列公式计算得出：

KJ为连接件刚度（N ／mm），可通过下列公式近似计算得出：

式中，T1为主轴承盖螺栓拧入气缸体的深度；T2为主轴承盖螺栓夹持高度；A 为主轴承盖螺栓贴合面积；E 为弹性模量。ISDe 发动机主轴承盖螺栓初始开发的力矩为70 N·m 加转角140°，根据上面的方程可计算出其平均当量预紧力为96．2 kN。考虑到当用力矩加转角计算时，预紧力有±15％的散差，因此预紧力是在某一范围内变化， 即在81．8 kN 到110．6 kN 之间。它与完全在实验室测得的平均当量预紧力93．4 kN是比较接近的。考虑到多种因素影响预紧力和拧紧工序过程能力，ISDe 发动机气缸体总成图纸上规定的主轴承盖螺栓预紧力也为一范围值， 即93．4 kN±9 kN 是非常合理的。根据93．4 kN±9 kN 的预紧力要求，再考虑拧紧设备气缸体、主轴承盖及螺栓的差异性影响， 需要重新开发出比较合理的拧紧规范。

主轴承盖螺栓初始拧紧规范的验证

由于在发动机上无法直接测量主轴承盖螺栓装配后的预紧力， 因此采用以下方法间接测量主轴承盖螺栓装配预紧力。首先在试验室对同一批螺栓拧紧过程中的预紧力—伸长量关系进行标定，然后对拟装配主轴承盖螺栓测量螺栓的原始长度，再当主轴承盖螺栓分别在气缸体机械加工线和发动机装配线上拧紧后，分别测量两种装配状态下主轴承盖螺栓的伸长量， 最后根据在试验室标定的螺栓预紧力—伸长量关系采用内插法确定螺栓的当量预紧力。

1、主轴承盖螺栓预紧力—伸长量试验室标定

采用生产线上主轴承盖螺栓和用气缸体和主轴承盖相同的材料制作的培试件在试验机上进行标定，夹持高度和螺纹旋入深度保持与生产线一致。在试验室得到主轴承盖螺栓预紧力—伸长量标定数据， 根据这些数据和主轴承盖螺栓设计的装配预紧力93．4 kN±9 kN，绘制了螺栓预紧力—伸长量平均值曲线，详见图3。

2、主轴承盖螺栓初始拧紧规范的制定

通过对主轴承盖螺栓的预紧力的计算， 并且针对拧紧设备、气缸体、主轴承盖及螺栓的差异性等特点分析，初步制定了如表2 所示的拧紧规范。

3、主轴承盖螺栓按初始拧紧规范现场测量预紧力

根据2制定的初始拧紧规范，分别对气缸体机械加工线上的6 台气缸体总成（带主轴承盖螺栓） 和发动机装配线上的4 台ISDe 发动机主轴承盖螺栓装配后的伸长量进行了测量， 根据测得的伸长量和图3 螺栓预紧力与伸长量平均值关系曲线，用内插法可得到螺栓的当量预紧力。表3 摘录了一部分气缸体机械加工线上和发动机装配线上的测量数据， 以便更好地说明螺栓预紧力—伸长量关系。

4 主轴承盖螺栓试验数据分析

用统计分析方法对每个主轴承盖螺栓现场测得的伸长量、预紧力和拧紧机拧紧力矩进行分析，验证制定的初始拧紧规范是否符合产品设计要求。

分析测量数据是否正态分布

分别对气缸体机械加工线和发动机装配线上测得的伸长量和预紧力进行正态分布测试，图4、图5、图6 和图7 结果表明，测得的数据服从正态分布。

过程能力指数分析

分别对气缸体机械加工线和发动机装配线上测得的预紧力进行过程能力分析， 分析结果详见图8和图9。气缸体机械加工线的过程能力指数为1．86（＞1．33），满足产品要求，发动机装配线的过程能力指数为0．33（＜1．33），不满足产品要求。发动机装配线的过程能力需要提高。

螺栓预紧力的分布分析

图10和图11 分别表明了气缸体机械加工线和发动机装配线螺栓预紧力分布。从中可以看出气缸体机械加工线上的平均当量预紧力高于试验室测得的平均预紧力93．4 kN，发动机装配线上的平均当量预紧力低于试验室测得的平均预紧力93．4 kN。因此需要重新调整拧紧规范以满足产品预紧力要求。

主轴承盖螺栓拧紧规范的优化

根据主轴承盖螺栓试验室的标定曲线， 以及实测气缸体机械加工线和发动机装配线上螺栓的平均当量预紧力数据，对测量数据进行了统计分析。数据分析表明气缸体机械加工线上的当量预紧力大于产品规范的平均预紧力， 发动机装配线上的当量预紧力小于产品规范的平均预紧力， 这表明初始拧紧规范需要优化，以便得到更符合产品要求的预紧力。

主轴承盖螺栓拧紧规范修改

根据主轴承盖螺栓初始拧紧规范得到的当量预紧力数据， 分析表明只需要适当调整气缸体机械加工线和发动机装配线上主轴承盖螺栓的转角就可以得到理想的预紧力。结合主轴承盖螺栓预紧力的计算和初始拧紧规范，修改后的螺栓拧紧规范见表4。

修改主轴承盖螺栓拧紧规范后预紧力测量和分析

根据修改后的主轴承盖螺栓的拧紧规范， 采用上面同样的方法分别对气缸体机械加工线上6 台气缸体总成（带主轴承盖螺栓）和发动机装配线4 台发动机总成的螺栓当量预紧力重新进行了测量。对得到的试验数据进行了统计分析。

气缸体机械加工线螺栓预紧力过程能力分析结果见图12， 结果表明其过程能力指数为2．05 （＞1．33），表明控制过程稳定。发动机装配线螺栓预紧力过程能力分析结果见图13，结果表明其过程能力指数为1．61（＞1．33），表明控制过程同样稳定。

图14和图15分别表明了气缸体机械加工线和发动机装配线螺栓预紧力分布。从图14 中可以看出气缸体机械加工线上的平均当量预紧力为93．4 kN，分布范围为89～97．1 kN，与试验室测得的平均预紧力93．4 kN， 分布范围为84．4～102．4 kN 非常吻合。从图15 中可以看出发动机装配线上的平均当量预紧力为93．4 kN，分布范围为87．8～97 kN，与试验室测得的平均预紧力93．4 kN，分布范围为84．4～102．4 kN 也非常吻合，说明修改后的螺栓拧紧规范可以满足发动机设计的预紧力要求。

结论

（1） 通过理论计算ISDe 发动机主轴承盖螺栓装配所需的预紧力值， 用试验标定方法找出当量预紧力与螺栓伸长量的关系曲线， 根据标定的螺栓预紧力—伸长量关系曲线采用内插法确定了螺栓的装配预紧力；

（2） 通过试验和理论计算相结合， 同时利用数理统计分析方法研究了不同的拧紧规范对螺栓装配预紧力的影响；

（3） 优化了ISDe 发动机主轴承盖螺栓拧紧规范，以满足最佳的产品设计预紧力要求，从而在很大程度上提高了气缸体和曲轴的可靠性。

参考文献：

［1］ GB ／ T1682，螺纹紧固件拧紧试验方法［S］．

［2］．Richard T． Barrett．Fastener Design Manual ［M］． NASA Reference Publication，1990．

［3］ 张琼敏，熊云奇，卢海波．发动机主轴承盖螺栓断裂分析及工艺改进［J］．汽车工艺与材料，2001，（3）．

(文章来源：易紧通，侵删)