汽車發(fā)動機(jī)減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙的分析

□ 陳麗霞 □ 劉 爽 □ 李 帥 □ 胡 廣

寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江寧波 315336

1 存在的問題

螺栓又稱緊固件,是將兩個或兩個以上零件緊固連接成為一個整體的一類機(jī)械零件的總稱。根據(jù)不同級別,螺栓可以分為標(biāo)準(zhǔn)件和高強(qiáng)度螺栓,作用相同。螺栓在機(jī)械行業(yè)中是不可缺少的零件。在發(fā)動機(jī)中,螺栓應(yīng)用較為普遍。螺栓將減振皮帶輪和曲軸連接成為一個整體,曲軸旋轉(zhuǎn)時,通過減振皮帶輪帶動前端輪系轉(zhuǎn)動,使前端輪系實現(xiàn)功能。

某車輛在行駛過程中發(fā)動機(jī)前端輪系各零件、油底殼及周圍機(jī)艙全部被機(jī)油打濕,冷機(jī)狀態(tài)下不漏油,熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時機(jī)油從曲軸前端油封流出,呈滴狀下落。車輛漏油如圖1所示。檢查發(fā)現(xiàn)該車輛發(fā)動機(jī)減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙,筆者對此進(jìn)行分析。

2 拆解分析

該車輛發(fā)動機(jī)前端連接結(jié)構(gòu)如圖2所示,減振皮帶輪通過螺栓與曲軸連接,油封與減振皮帶輪軸頸配合密封。

檢查發(fā)現(xiàn),減振皮帶輪軸頸已經(jīng)斷裂,如圖3所示,由此在減振皮帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)致油封密封唇口損壞,造成油封漏油。

同時檢查發(fā)現(xiàn),減振皮帶輪螺栓螺桿頭部一段螺紋已損壞,如圖4所示。

通過拆解初步確認(rèn),減振皮帶輪螺栓螺紋損壞,造成擰緊時產(chǎn)生假力矩,螺栓法蘭未與減振皮帶輪接觸。發(fā)動機(jī)運(yùn)行時,減振皮帶輪鍵槽受力,導(dǎo)致減振皮帶輪軸頸斷裂,運(yùn)轉(zhuǎn)時劃傷曲軸,造成油封損壞。

對比故障發(fā)動機(jī)與合格發(fā)動機(jī)的減振皮帶輪螺栓擰緊曲線,如圖5所示。故障發(fā)動機(jī)減振皮帶輪螺栓擰緊力矩建立角度范圍在-70°～110°之間,合格發(fā)動機(jī)減振皮帶輪螺栓擰緊力矩建立角度范圍在5 000°～6 500°之間。正常情況下,減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊后,減振皮帶輪螺栓墊片暫未與減振皮帶輪接觸面安裝貼合,擰緊角度增大,擰緊力矩暫未建立。

減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊階段,螺桿螺紋與曲軸螺紋孔螺紋配合失效,導(dǎo)致減振皮帶輪螺栓墊片與減振皮帶輪接觸面未貼合前,擰緊力矩增大。

對故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)驗證。模擬正常裝配,減振皮帶輪螺栓擰緊有兩個步驟。工位1進(jìn)行預(yù)擰緊,建立擰緊力矩后擰緊螺紋兩三牙。工位2由擰緊機(jī)控制力矩,采用轉(zhuǎn)角法終擰緊。預(yù)擰緊減振皮帶輪螺栓后,存在螺栓頭部超出減振皮帶輪外側(cè)面的情況,如圖6所示。擰緊機(jī)主軸前端套筒接觸減振皮帶輪螺栓頭部后,擰緊機(jī)主軸壓縮行程達(dá)到極限,而擰緊機(jī)氣動滑臺繼續(xù)前進(jìn),導(dǎo)致擰緊機(jī)主軸前端套筒撞擊減振皮帶輪螺栓頭部,如圖7所示。減振皮帶輪螺栓頭部存在撞擊磨損痕跡,如圖8所示,同時擰緊機(jī)報警,擰緊曲線出現(xiàn)異常。

拆解確認(rèn),減振皮帶輪螺栓頭部一段螺紋已被磨平,如圖9所示。對曲軸螺紋孔進(jìn)行剖切,確認(rèn)內(nèi)部螺紋狀態(tài),與減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙對應(yīng)部位的螺紋已損壞。

3 故障原因分析

經(jīng)過故障復(fù)現(xiàn)驗證,鎖定故障環(huán)節(jié),問題發(fā)生在終擰緊階段,擰緊機(jī)主軸前端套筒接觸減振皮帶輪螺栓頭部過程中出現(xiàn)異常。減振皮帶輪螺栓擰緊工序如圖10所示。

觀察工位操作者裝配50臺發(fā)動機(jī),均按照作業(yè)指導(dǎo)書要求,使用電動擰緊槍預(yù)擰緊減振皮帶輪螺栓,減振皮帶輪螺栓均順暢擰入曲軸螺紋孔。檢測故障件減振皮帶輪螺栓及同批次螺栓尺寸,頭部厚度的要求為18.75～19 mm,實測為18.52～18.96 mm,公稱長度的要求為99.3～100.7 mm,實測為99.50～99.72 mm,減振皮帶輪螺栓尺寸合格。

對故障件減振皮帶輪螺栓化學(xué)成分及表面硬度進(jìn)行分析,化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1,各化學(xué)成分指標(biāo)均滿足要求。表面維氏硬度(HV)要求為385～435,實測為417。可見,理化性能均滿足要求。

表1 螺栓化學(xué)成分檢測結(jié)果

終擰緊工位減振皮帶輪螺栓擰緊機(jī)氣動滑臺行程固定為300 mm,擰緊機(jī)主軸緩沖行程最大為50 mm。通過現(xiàn)場模擬,將減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊后,氣動滑臺前進(jìn),擰緊機(jī)主軸前端套筒接觸減振皮帶輪螺栓頭部,存在擰緊機(jī)主軸壓縮行程達(dá)到壓縮極限,而氣動滑臺未前進(jìn)到位的問題。氣動滑臺行程監(jiān)控如圖11所示。

在預(yù)擰緊工位,操作者使用電動擰緊槍預(yù)擰緊減振皮帶輪螺栓,電動擰緊槍的預(yù)擰緊力矩范圍為6～9 N·m,要求擰緊兩三牙。通過查看減振皮帶輪螺栓擰緊曲線,根據(jù)擰緊角度變化,核算擰緊力矩增大前的擰緊角度,推算減振皮帶輪螺栓未擰緊前的外露長度,即減振皮帶輪螺栓頭部法蘭面與減振皮帶輪貼合面之間的距離。減振皮帶輪螺栓外露長度如圖12所示。

現(xiàn)場實際測量減振皮帶輪螺栓擰緊至與減振皮帶輪貼合時擰緊機(jī)主軸的前進(jìn)行程,確認(rèn)減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊后允許外露長度最大為25 mm。

根據(jù)減振皮帶輪螺栓擰緊曲線,結(jié)合擰緊力矩增大前的擰緊角度,計算減振皮帶輪螺栓未擰緊前外露長度為29.6 mm,大于25 mm,確認(rèn)減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊行程不合格。

預(yù)擰緊減振皮帶輪螺栓后,減振皮帶輪螺栓外露長度大于5 mm,擰緊機(jī)主軸達(dá)到壓縮極限,擰緊機(jī)氣動滑臺前進(jìn)行程未達(dá)到300 mm,氣動滑臺繼續(xù)前進(jìn),導(dǎo)致擰緊機(jī)主軸前端套筒撞擊減振皮帶輪螺栓。減振皮帶輪螺栓受到外力撞擊,減振皮帶輪螺栓螺紋與曲軸螺紋孔螺紋配合失效,在擠壓力作用下,產(chǎn)生爛牙。

由分析最終認(rèn)定,擰緊機(jī)氣動滑臺前進(jìn)行程超差,擰緊機(jī)主軸前端套筒壓縮行程不足,減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊行程不足,導(dǎo)致減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙。

4 整改措施

針對擰緊機(jī)主軸緩沖行程不足,更換擰緊機(jī)主軸,增大擰緊機(jī)主軸的緩沖行程。

針對減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊行程不足,增大電動擰緊槍的擰緊力矩,力矩范圍由6～9 N·m擴(kuò)大為15～25 N·m,進(jìn)而增大減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊行程。

5 效果驗證

采取整改措施后,進(jìn)行減振皮帶輪螺栓現(xiàn)場擰緊評價。現(xiàn)場實際測量得到減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊行程增大了14 mm,減振皮帶輪螺栓外露長度小于25 mm,合格。查看整改前后減振皮帶輪螺栓擰緊曲線,分別如圖13、圖14所示。整改前擰緊機(jī)擰緊減振皮帶輪螺栓,擰緊角度分布在3 400°～7 000°之間,整改后擰緊機(jī)擰緊減振皮帶輪螺栓,擰緊角度分布在1 000°～5 000°之間。

整改后通過兩萬臺裝機(jī)驗證,減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙問題未再發(fā)生,整改措施有效。

6 結(jié)束語

筆者對某車輛發(fā)動機(jī)減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙問題進(jìn)行分析,確認(rèn)了問題原因,并提出了整改措施。在減振皮帶輪裝配過程中,要考慮預(yù)擰緊和終擰緊的配合。在分配擰緊行程時,要考慮擰緊力矩分配的合理性。在機(jī)械自動化程度較高的裝配環(huán)境下,對機(jī)械裝配調(diào)試的合理性要充分驗證。通過更換擰緊機(jī)主軸,增大擰緊機(jī)主軸緩沖行程,擴(kuò)大電動擰緊槍擰緊力矩范圍,增大減振皮帶輪螺栓預(yù)擰緊行程,解決了減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙問題。