某柴油機漲斷連桿螺栓斷裂失效研究與改進

彭天鵬

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京210000）

20世紀后期，德國率先研究出了連桿體和蓋分離新技術，即“漲斷”工藝。相比與傳統(tǒng)連桿加工工藝，漲斷工藝可以簡化連桿螺栓孔的結構設計和加工工藝，具有加工工序少、高效節(jié)能、質量穩(wěn)定、低生產成本等優(yōu)勢[1]。某四缸柴油機出現多起漲斷連桿螺栓斷裂故障，導致缸體被搗通、曲軸等核心零件損壞。本文對斷裂的螺栓故障件進行原因分析，螺栓理論強度和張斷面動態(tài)間隙校核，并提出改進措施，通過理論分析和試驗驗證。

1 螺栓斷裂故障件分析

1.1 螺栓物理性能分析

因42CrMo合金鋼具有高強度、淬透性高、韌性好的力學性能，是高速柴油機連桿螺栓材料的首選，且經調質處理后，獲得更好的強度和韌性，本文的討論的柴油機也選用該材料。

對圖1中的螺栓斷裂故障件，采用GB/T4336檢測方法對螺栓材質分析，結果符合GB/T3077中規(guī)定的42CrMo合金結構鋼技術要求；采用GB/T13298檢測方法，洛氏硬度檢測結果符合設計要求；金相組織均為回火索氏體，符合標準GB/T3098.1對10.9級螺栓的要求。

圖1 螺栓斷裂故障（M10X1.25，10.9級）

1.2 斷口分析

經掃描電鏡分析，斷裂起始于螺紋底部的低應力雙向彎曲疲勞斷裂，斷裂起始處無異常缺陷的特征，如圖2所示。連桿螺栓在使用中均發(fā)生松動并顯著旋出，導致連桿蓋與螺栓滑動摩擦，連桿螺栓異常受力，發(fā)生雙向彎曲疲勞斷裂。

圖2 電鏡掃描結果

2 螺栓松動原因分析

根據柴油機工作原理可知，連桿螺栓主要承受裝配時的夾緊力，大小和方向都不變的靜載荷。在四沖程膨脹過程中活塞位于上止點時，氣體壓力大于往復運動慣性力和離心力之和，連桿受到壓縮，這時往復慣性力和離心力對連桿螺栓沒有作用。而在進氣過程中活塞位于上止點時，這個往復慣性力和離心力就對連桿螺栓進行拉伸[2]。

連桿螺栓的核心作用就是確保連桿體和連桿蓋始終緊密連接在一起，不允許有任何間隙，一旦產生間隙，則螺栓夾緊力，會瞬間消失或減弱導致螺栓松動。在高速旋轉的工況下，連桿螺栓承受的往復慣性力和連桿旋轉離心力的交變載荷增大，極易出現連桿體和連桿蓋分離，導致連桿螺栓失去夾緊力后螺栓松動。

計算結果見圖3，在柴油機額定轉速（3 600 r/min）和最高轉速（4 200 r/min）均出現了漲斷面分離現象（左上角區(qū)域計算結果大于0，則說明存在間隙），而且隨著轉速的增加，漲斷面分離的區(qū)域及間隙幅值增大。因此，連桿及連桿螺栓在高轉速區(qū)域存在漲斷面分離的風險。

圖3 漲斷面間隙理論計算結果

3 改進措施

解決螺栓斷裂的根本是防止螺栓松動，螺栓松動的核心是避免在柴油機所有運行工況范圍內出現連桿蓋與連桿體漲斷面分離。基于以上原因分析，確定改進方向為通過提高螺栓夾緊力。

3.1連桿螺栓性能等級校核

為了分析連桿螺栓強度的影響，對不同性能等級的連桿螺栓進行理論校核，結果見表1。

表1 連桿螺栓強度校核結果

從表1來看，殘余力系數和螺栓頭部接觸壓力均符合設計經驗值，隨著螺栓等級強度的提升，殘余力系數逐漸提升有助于提高螺栓夾緊力，但同時螺栓頭部接觸壓力也逐漸增加，增加了螺栓的載荷。

3.2 連桿本體結構改進

選擇最高轉速工況作為螺栓載荷極限工況分析，結果發(fā)現連桿結構不管選擇何種強度等級螺栓，均存在漲斷面有間隙情況，即連桿蓋與連桿體分離。

螺栓等級提高后，螺栓夾緊力增加，對連桿作用力也會增加。由于漲斷面附近連桿桿身強度最弱，在高轉速大轉動慣量的狀態(tài)易出現微小塑性變形，連桿體受力范圍受螺栓螺紋位置影響。因此優(yōu)化連桿螺栓孔內部螺紋尺寸，使得螺紋連接位置遠離漲斷面，降低漲斷面分離風險。具體方案為減少連桿螺栓內螺紋長度9 mm，保持連桿螺栓尺寸規(guī)格不變，使得螺栓與連桿內螺紋接觸位置與原來比遠離9 mm，如圖3右側圓圈部位。

圖3 連桿內螺紋孔長度優(yōu)化前后對比

3.3 優(yōu)化方案校核分析

采用不同的螺栓性能等級以及對連桿體優(yōu)化后，進行重新理論校核，為了減少工作量，僅選擇最高轉速進行計算，同時把當前狀態(tài)的連桿也一并進行對比分析，計算結果見圖4。

圖4 漲斷面分離結果對比（4200r/m in）

從圖4分析，改進后的連桿與10.9級螺栓匹配時，還是會存在漲斷面分離現象；改進后連桿與11.9級螺栓匹配時，漲斷面沒有出現分離現象；與12.9級螺栓匹配時，間隙幅值及區(qū)域進一步減小，即螺栓夾緊力增加。

綜合考慮成本和制造工藝性，改進措施確定為螺栓強度性能等級采用11.9級并對連桿本體上的連桿螺栓孔內螺紋長度減小9 mm。

4 試驗驗證

4.1 螺栓擰緊試驗

采用扭矩加轉角擰緊法的擰緊工藝，螺栓會擰緊至屈服狀態(tài)，充分發(fā)揮螺栓擰緊效率。同時該工藝可有效降低系統(tǒng)摩擦系數分散度大帶來的影響，避免在裝配過程中螺栓斷裂或夾緊力不足[3]。考慮到夾緊力測試耗時且測試成本較高，此次采用螺栓長度伸長率測試方法，具體為螺栓擰緊前測量其長度，按照扭矩加轉角實施擰緊后再次測量螺栓長度可得到螺栓伸長量，擰緊的伸長量與原長度比值定義為螺栓伸長率。

三種不同擰緊工藝：當前工藝50 N·m+90°；改進方案 1：40 N·m+120°；改進方案 2：40 N·m+110°的試驗結果見圖5，轉角越大，螺栓伸長率相對集中；相同預緊扭矩的情況下，轉角越大則螺栓伸長率更大，但影響著螺栓重復使用次數。結合設計經驗，螺栓伸長率應小于0.75%，伸長率穩(wěn)定有利于提高螺栓夾緊力一致性。因此，選用改進方案2。

圖5 擰緊后螺栓伸長率結果對比

4.2 整機試驗驗證

連桿螺栓極限工況主要在超速工況下，設計臺架超速試驗，試驗累計時間300 h，工況主要為：1）從怠速提高至1.25倍額定轉速進行15 000個循環(huán)；2）從怠速提高至1.4倍額定轉速進行15 000循環(huán)，如圖6。裝機時對螺栓及連桿做好位置標記，300 h試驗后，拆解查驗螺栓標記未見有松動痕跡，結果證明，改進方案有效，且增加了安全冗余。

圖6 超速試驗循環(huán)

5 結束語

（1）高速時連桿蓋與連桿體漲斷面分離導致螺栓松動，螺栓松動后產生疲勞斷裂。

（2）采取增加連桿螺栓強度同步減小連桿本體螺栓內螺紋長度有效降低了高速工況下連桿體和連桿蓋分離的風險。

（3）優(yōu)化了螺栓扭矩加轉角法擰緊工藝。

（4）提出了快速臺架試驗的方法并加以實機驗證。