某柴油機排氣歧管螺栓松動分析與優化設計

范習民，錢德猛，李龍超，崔寧，王強，孫影

（安徽江淮汽車股份有限公司，合肥 230601）

0 引 言

排氣歧管是發動機的關鍵零部件，它將燃燒的廢氣導入催化器進行后處理，以改善廢氣的排放性能。如果排氣歧管松動，會使廢氣直接排放到空氣中，造成空氣污染；而從缸內直接排放的廢氣溫度非常高，可能直接引起管路燒蝕，嚴重的情況甚至會導致自燃，必須杜絕此類問題的發生。

1 介 紹

某柴油機的蠕墨鑄鐵SiMo4.5 排氣歧管螺栓在進行200 h 交變應力測試后發生松動脫落，該螺栓是六角頭螺栓彈簧墊圈組合件，如圖1 所示；彈簧墊圈材料為70 鋼；采用扭矩法工裝，扭矩要求（20±5）N·m。

圖1 六角頭螺栓彈簧墊圈組合件設計圖

2 FTA 分析

為解決排氣歧管螺栓松動，進行了FTA 分析，如圖2所示。根據FTA 進行了排查，排除了質量、裝配和載荷異常問題，所以重點聚焦在設計問題分析方面。

3 螺栓松動分析

如下表1 排氣歧管系統各部件材料力學性能一覽表所示，六角頭螺栓彈簧墊圈組合件70 鋼的彈簧墊圈的回火溫度為（480±50）℃，在高溫作用下，力學性能衰減嚴重，擰緊力矩會逐漸減小，會引起松動失效，所以建議變更為主流的六角法蘭面螺栓設計方案，如圖3 所示。同時考慮將原螺栓從45 鋼切換成4Cr9Si2 或40Cr 材料，并進行耐熱后處理。

圖2 螺栓松動FTA 分析示意圖

表1 排氣歧管各部件材料力學性能一覽表

圖3 六角法蘭面螺栓設計圖

3.1 預緊力分析

螺栓擰緊至彈塑性區間的屈服法螺栓預緊力計算公式為：

式中：σ0.2為螺栓材料的最小屈服強度；dp為螺紋中徑；dmin為螺紋小徑；P 為螺距；μ 為摩擦因數；A 為螺栓的最小有效面積。

小系列A 級M8 六角法蘭面螺栓，螺距1.25 mm，中徑7.188 mm，小徑6.647 mm［1］，根據以上公式，可以推算出4Cr9Si2、40Cr 和45 鋼的最小預緊力分別如表2 所示：

表2 各種排氣歧管螺栓材料能實現預緊力一覽表

由表2 可知：1）螺栓能實現的預緊力與材料的力學性能（屈服與抗拉強度）密切相關，三種備選材料中，40Cr能實現最大的螺栓預緊力，4Cr9Si2 次之，45 鋼最差；2）在進行螺栓擰緊前，將螺栓放入機油中浸泡潤滑［2］，可提升約20%的預緊力；3）對于施加多大的預緊力，可通過有限元計算接觸面滑移量進行評估，一般在不壓潰的情況下，希望施加的預緊力能越大越好；4）對于不同的螺栓，擰緊方式也要進行對應設計，以獲得設計的螺栓預緊力。

3.2 擰緊方式分析

如圖4 所示，我們設計螺栓是為了獲得預緊力，但是，直接測量預緊力難度很大，一般只能測試扭矩。

圖4 螺栓擰緊與扭矩關系圖

螺栓擰緊后，一定要確保施加的扭矩達到最小需要扭矩，確保預緊力一定要高于外部載荷，其安全余量載荷的影響因素包括：振動；摩擦力的變化；連接件尺寸變化；擰緊精度；但與此同時，施加的扭矩也不能過大，不然會導致螺栓過度伸長，進入全塑性變形區域，失去變形恢復能力，其安全余量取決于擰緊精度和材料等級。對于不同的螺栓擰緊，常用的有扭矩控制、扭矩＋轉角控制、梯度（扭矩變化率）控制、屈服點控制等不同擰緊策略［3］，各種擰緊方式的原理和應用狀況見表3 所示。

表3 各種螺栓擰緊方法介紹一覽表

根據應用工程部的反饋，原排氣歧管螺栓采用扭矩控制法，由于涉及到生產流程的延續性，后期也將不進行變更螺栓擰緊方式，下面將使用扭矩擰緊法對各種螺栓的擰緊扭矩［3］進行評估分析。

擰緊螺母時，其預緊力矩需要克服旋合螺栓間摩擦力矩合螺母與被聯接件支承面之間的摩擦力矩，并使聯接產生預緊力，其計算公式［4］為Mt＝KF0d×10-3。

式中：Mt為預緊力矩，Nm；K 為預緊力矩系數；D 為螺栓的公稱直徑，mm。

預緊力矩系數K 值與螺栓、螺母和被聯接件等摩擦表面的狀況及潤滑情況有關，具體數據如表4 所示。

表4 不同條件下的預緊力矩系數K

根據螺栓的情況，預緊力矩系數K 值根據有無機油潤滑浸泡情況，分別取0.14 和0.2。

為了充分發揮螺栓的工作能力，并保證預緊的可靠性，通常應使螺栓擰緊后的預緊力［3］為：σ0＝（0.5－0.7）σs。

式中：σ0為擰緊后螺栓的預緊力，N/mm2；σs 為螺栓材料的屈服極限，N/mm2。

而F0＝Am×σ0＝n×D2×0.5σs/4，

式中，Am為螺栓最小截面，mm2；D 為螺栓名義直徑，mm。

則對3 種預選螺栓擰緊扭矩分別如表5 所示。

表5 不同螺栓使用扭矩法預緊扭矩一覽表

由表5 可知，原45 鋼螺栓使用（20±5）N·m 的扭矩進行擰緊會過扭，導致螺栓過度伸長；建議螺栓進行機油浸泡潤滑后進行裝配，可以提升螺栓的擰緊扭矩的有效轉化，且能適度預防螺栓銹蝕。

3.3 熱膨脹系數影響分析

根據JAC 的發動機關鍵零部件材料隨溫度變化物理熱學性能數據庫，以上各種材料在一定溫度區間的熱膨脹系數［5］如下圖5 所示；其中，在200 ℃時，缸蓋材料HT250的熱膨脹系數為1.234×10-5/K，排氣歧管SiMo4.5 的熱膨脹系數為1.351×10-5/K，擬選的4Cr9Si2、40Cr 和45 鋼三種材料的熱膨脹系數分別為1.22×10-5/K、1.2×10-5/K、1.17×10-5/K，由此可見，4Cr9Si2 材料的螺栓與缸蓋和排氣歧管的熱膨脹系數性能最接近，40Cr 次之。

圖5 排氣歧管系統各種材料熱膨脹系數隨溫度變化曲線圖

在排氣系統工作的情況下，由于缸蓋和排氣歧管包裹著螺栓，螺栓的溫度應低于外界的缸蓋和排氣歧管，為將熱膨脹系數差異的影響降低到最小程度，排氣歧管螺栓的熱膨脹系數應稍高于或接近缸蓋和排氣歧管，鑒于此，擬換螺栓材料最好選擇4Cr9Si2，其次為40Cr，45 鋼最差。

3.4 高溫材料力學性能衰減分析

如圖6 所示，根據JAC 的發動機關鍵零部件材料隨溫度變化的力學性能數據庫，4Cr9Si2 材料在600～700 ℃時力學性能衰減嚴重、40Cr 在500～600 ℃時力學性能下降明顯，45 鋼性能衰減斜率較平滑，在400～500 ℃之間力學性能衰減趨勢加強。一般柴油機排氣歧管螺栓溫度在300～500 ℃之間，據此判斷，從力學性能高溫衰減分析，40Cr 材料螺栓性能最佳，4Cr9Si2 次之，45 鋼最差。

圖6 排氣歧管擬選用螺栓材料屈服強度隨溫度變化曲線圖

3.5 分析結論

根據以上分析可知：

1）原六角頭螺栓彈簧墊圈組合件設計方案不合理，70 鋼的彈簧墊圈在高溫作用下，力學性能衰減嚴重，擰緊力矩會逐漸減小，會引起松動失效；

2）原六角頭螺栓彈簧墊圈組合件設計方案對45 鋼螺栓使用（20±5）Nm 的扭矩進行擰緊會過扭，導致螺栓過度伸長，會產生松動風險；

3）建議將原六角頭螺栓彈簧墊圈組合件設計方案變更為六角法蘭面螺栓設計方案；

4）從螺栓能實現的預緊力分析，三種備選材料中，40Cr能實現最大的螺栓預緊力，4Cr9Si2 次之，45 鋼最差；

5）從各種擬換螺栓材料的隨溫度變化熱膨脹系數分析，螺栓材料最好選擇4Cr9Si2，其次為40Cr，45 鋼最差；

6）從力學性能高溫衰減分析，40Cr 材料螺栓性能最佳，4Cr9Si2 次之，45 鋼最差；

7）綜合考慮性能和價格，建議新六角法蘭面螺栓選用40Cr 材料，該螺栓在無潤滑的情況下，采用扭矩法擰緊的擰緊扭矩為（20±5）Nm；在有潤滑的擰緊時，擰緊扭矩為（20±5）Nm。

4 結 語

螺栓是以承受發生的工作負載和實現聯接功能的關鍵零件，是動力的主要聯接方式，其設計的合理性和擰緊的正確性，對動力總成的安全性至關重要。而排氣歧管螺栓由于受到高溫的影響，需要綜合考慮相關聯接件的力學性能和物理熱學性能隨溫度變化情況的作用，綜合考慮各方面因素正確設計和擰緊。本文通過對某款柴油機的排氣歧管螺栓松動分析與優化設計的成功應用過程的描述，力求介紹這種受溫度影響較大的關鍵螺栓的設計思路和分析流程。

［1］ 楊振寬.機械產品設計常用標準手冊［M］.北京：中國標準出版社，2010.

［2］ ZOUQ，SUNTS，NASSARSA，eta1．Nuts（fasteners）［C］//STLE/ASME．STLE/ASME International Joint Tribology Conference.San Antonio：STLE/ASME，2006：1-12．

［3］ 中華人民共和國建設部.GB50017-2003 鋼結構設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2003.

［4］ VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE.Systematic calculation of high duty bolted joints－Joints with one cylindrical bolt［R］.VDI 2230,February2003.

［5］ 沈鴻.機械工程手冊［M］.2版.北京：機械工業出版社,1996.