螺栓預緊力對發動機汽缸蓋疲勞特性的影響

唐 泉

(廣西嘉德機械股份有限公司，廣西 玉林 537000)

1概述

1.1螺栓預緊力

螺栓是連接螺紋的零件，是最常用最基礎的零件之一，在使用的時候必須要擰緊，才可以承載工作負荷，在載荷之前預先受到的力的作用，就是預緊力，預緊的目的就是為了連接更加可靠，以防出現松弛或者斷裂的現象。

1.2汽缸蓋

缸墊座位于汽缸體和汽缸蓋之間，作用是密封和隔離，如果汽缸蓋因為疲勞造成松弛等現象，會導致冷卻液進入汽缸內，影響發動機的正常運行。

汽缸蓋的密封功能對發動機的技術情況有很大的影響。當汽缸蓋密封不嚴時，汽缸就會走漏，導致汽缸緊縮，壓力缺乏，溫度下降，空氣質量下降。當汽缸走漏嚴峻時，發動機功率會顯著下降，甚至不能作業。因此，假設發動機運轉中出現功率下降缺點，除了查找影響發動機功率下降的相關原因外，還需要檢查汽缸蓋的密封功能是否杰出。

汽缸蓋螺栓的預緊力有一個固定的理想值，可以保證那個汽缸蓋最大限度地使用，但是，若預緊力沒有達到預期值，螺栓松動引起的震動將使汽缸墊磨損更加嚴重、使用期限縮短。假設聯接螺栓太松，汽缸蓋相對于汽缸體的跳動量會增加；假設聯接螺栓擰緊過緊，會導致聯接螺栓的應力逾越其屈服強度極限，然后導致聯接螺栓的伸長逾越其規劃公差，這也會導致汽缸蓋跳動量增加，加速汽缸蓋墊片的磨損。所以需要對預緊力做出正確的計算，考慮諸多因素引起的誤差，減少實際預緊力與理想值的差距。

2螺栓預緊力分析

2.1影響螺栓預緊力的幾個因素

在螺栓裝配工作中，“扭矩”“預緊力”“摩擦力”這3個專業術語是很重要的。

此外，預緊力雖然可以提高螺栓連接的可靠性，防止螺栓松弛，但是物極必反，若是預緊力太高也會導致連接松弛不可靠等現象的發生，所以，需要正確計算螺栓的預緊力，預緊力有一個相關系數，成為預緊力矩，與擰緊力系數、螺紋公稱直徑和預緊力相關，都是影響螺栓連接的因素。

螺栓的屬性可以與彈簧相比較。當彈簧被拉伸時，有一個反作用力試圖將其拉回到其最初的形狀。該力被稱為夾緊力或預緊力。螺栓是有彈性的，當受到的力越來越大時會變長。只要這個力小于屈服點，當力減小時螺栓就會回復到其初始形狀。當螺栓擰緊時，施加扭矩。扭矩是垂直于杠桿臂施加并引起旋轉運動的力。所以施加正確的扭矩對于確保正確的夾緊力和安全的螺栓連接至關重要。

預緊螺栓的主要方法之一是在其頭部施加扭矩。這是業界非常普遍的做法，但要精確控制并不容易。當螺栓向下旋緊時，旋轉的動作會轉變成線性的作用，使螺栓被拉伸，同時連接部件被壓縮。但是扭矩中只有很少一部分轉變成了有效的預緊螺栓的力。大部分的扭矩都作用在了克服螺栓旋轉產生的摩擦力上。摩擦產生于兩個接觸表面：在轉動部件和夾緊部件之間(通常在螺栓頭下方或螺母下方)以及螺紋當中。這意味著有效轉換成預緊力的扭矩只是相當小一部分，通過扭矩/拉伸測試可以算出兩個接觸面間的摩擦系數。測試結果發現通常只有10%的扭矩作用在了預緊力上，其余都用來克服摩擦力而抵消。

例如，50%的輸入扭矩用于克服螺栓頭下表面的摩擦力，40%的輸入扭矩用于克服螺紋間的摩擦力，因此，扭矩上緊法并不是非常高效。但是可以通過使用潤滑劑來增加扭矩的轉換率。使用潤滑劑可以有效降低摩擦力，在相同的預緊力值目標下，使用潤滑劑比不使用潤滑劑，扭矩值更小。

但是因為摩擦系數會有一定的變化，會導致再進行預緊力的計算時產生一定的誤差，所以需要提供一些工具來減少摩擦力的產生，例如使用潤滑劑、面漆等工具，或者使用特定摩擦系數的螺栓可以降低誤差，計算出更接近實際值的預緊力。

以下圖為例：

上圖中的零件在施加正壓力F前，螺栓副已經按照預緊力要求控制力矩安裝好了，此時螺栓和零件1都有應變(螺栓沿F方向被拉長，零件1沿F方向被壓短)，同時因預緊力的緣故，a面上因預緊力產生的摩擦力能夠保證零件在側向力N的作用下不移動。施加一個逐漸增大的正壓力F，此時：

(1)F小于所有螺栓副預緊力之和時，螺栓的變形量減小，零件1的變形量增大，但a面上的正壓力不變，a面上的摩擦力能夠保證零件在側向力N的作用下不移動;(2)F等于所有螺栓副預緊力之和時，螺栓正好恢復到不受力的狀態，零件1的變形量增大，a面上的正壓力不變，a面上的摩擦力能夠保證零件在側向力N的作用下不移動;(3)F大于所有螺栓副預緊力之和時，螺栓為不受力的狀態，零件1的變形繼續量增大，a面上的正壓力比零件在施加正壓力F前大，a面上的摩擦力能夠保證零件在側向力N的作用下不移動;(4)F大于零件1的屈服極限，零件1被壓潰。

綜上所述，受壓時，保證螺栓的規定預緊力就足夠了。

3結語

發動機是推動機械進行運動的裝置，發動機受到影響小，則影響機器的正常運作，大則容易對周遭人員造成安全威脅。汽缸蓋則是對發動機的一種保護機制，但是由于工作環境的影響，汽缸蓋很容易疲勞受到損毀，但是可靠的螺栓可以加長汽缸蓋的使用壽命，所以螺栓的使用壽命很重要。控制好螺栓的預緊力可以提高連接的可靠性，增強連接的緊密性和剛度。