某柴油机排气歧管螺栓松动分析与优化设计

范习民，钱德猛，李龙超，崔宁，王强，孙影

（安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230601）

0 引 言

排气歧管是发动机的关键零部件，它将燃烧的废气导入催化器进行后处理，以改善废气的排放性能。如果排气歧管松动，会使废气直接排放到空气中，造成空气污染；而从缸内直接排放的废气温度非常高，可能直接引起管路烧蚀，严重的情况甚至会导致自燃，必须杜绝此类问题的发生。

1 介 绍

某柴油机的蠕墨铸铁SiMo4.5 排气歧管螺栓在进行200 h 交变应力测试后发生松动脱落，该螺栓是六角头螺栓弹簧垫圈组合件，如图1 所示；弹簧垫圈材料为70 钢；采用扭矩法工装，扭矩要求（20±5）N·m。

图1 六角头螺栓弹簧垫圈组合件设计图

2 FTA 分析

为解决排气歧管螺栓松动，进行了FTA 分析，如图2所示。根据FTA 进行了排查，排除了质量、装配和载荷异常问题，所以重点聚焦在设计问题分析方面。

3 螺栓松动分析

如下表1 排气歧管系统各部件材料力学性能一览表所示，六角头螺栓弹簧垫圈组合件70 钢的弹簧垫圈的回火温度为（480±50）℃，在高温作用下，力学性能衰减严重，拧紧力矩会逐渐减小，会引起松动失效，所以建议变更为主流的六角法兰面螺栓设计方案，如图3 所示。同时考虑将原螺栓从45 钢切换成4Cr9Si2 或40Cr 材料，并进行耐热后处理。

图2 螺栓松动FTA 分析示意图

表1 排气歧管各部件材料力学性能一览表

图3 六角法兰面螺栓设计图

3.1 预紧力分析

螺栓拧紧至弹塑性区间的屈服法螺栓预紧力计算公式为：

式中：σ0.2为螺栓材料的最小屈服强度；dp为螺纹中径；dmin为螺纹小径；P 为螺距；μ 为摩擦因数；A 为螺栓的最小有效面积。

小系列A 级M8 六角法兰面螺栓，螺距1.25 mm，中径7.188 mm，小径6.647 mm［1］，根据以上公式，可以推算出4Cr9Si2、40Cr 和45 钢的最小预紧力分别如表2 所示：

表2 各种排气歧管螺栓材料能实现预紧力一览表

由表2 可知：1）螺栓能实现的预紧力与材料的力学性能（屈服与抗拉强度）密切相关，三种备选材料中，40Cr能实现最大的螺栓预紧力，4Cr9Si2 次之，45 钢最差；2）在进行螺栓拧紧前，将螺栓放入机油中浸泡润滑［2］，可提升约20%的预紧力；3）对于施加多大的预紧力，可通过有限元计算接触面滑移量进行评估，一般在不压溃的情况下，希望施加的预紧力能越大越好；4）对于不同的螺栓，拧紧方式也要进行对应设计，以获得设计的螺栓预紧力。

3.2 拧紧方式分析

如图4 所示，我们设计螺栓是为了获得预紧力，但是，直接测量预紧力难度很大，一般只能测试扭矩。

图4 螺栓拧紧与扭矩关系图

螺栓拧紧后，一定要确保施加的扭矩达到最小需要扭矩，确保预紧力一定要高于外部载荷，其安全余量载荷的影响因素包括：振动；摩擦力的变化；连接件尺寸变化；拧紧精度；但与此同时，施加的扭矩也不能过大，不然会导致螺栓过度伸长，进入全塑性变形区域，失去变形恢复能力，其安全余量取决于拧紧精度和材料等级。对于不同的螺栓拧紧，常用的有扭矩控制、扭矩＋转角控制、梯度（扭矩变化率）控制、屈服点控制等不同拧紧策略［3］，各种拧紧方式的原理和应用状况见表3 所示。

表3 各种螺栓拧紧方法介绍一览表

根据应用工程部的反馈，原排气歧管螺栓采用扭矩控制法，由于涉及到生产流程的延续性，后期也将不进行变更螺栓拧紧方式，下面将使用扭矩拧紧法对各种螺栓的拧紧扭矩［3］进行评估分析。

拧紧螺母时，其预紧力矩需要克服旋合螺栓间摩擦力矩合螺母与被联接件支承面之间的摩擦力矩，并使联接产生预紧力，其计算公式［4］为Mt＝KF0d×10-3。

式中：Mt为预紧力矩，Nm；K 为预紧力矩系数；D 为螺栓的公称直径，mm。

预紧力矩系数K 值与螺栓、螺母和被联接件等摩擦表面的状况及润滑情况有关，具体数据如表4 所示。

表4 不同条件下的预紧力矩系数K

根据螺栓的情况，预紧力矩系数K 值根据有无机油润滑浸泡情况，分别取0.14 和0.2。

为了充分发挥螺栓的工作能力，并保证预紧的可靠性，通常应使螺栓拧紧后的预紧力［3］为：σ0＝（0.5－0.7）σs。

式中：σ0为拧紧后螺栓的预紧力，N/mm2；σs 为螺栓材料的屈服极限，N/mm2。

而F0＝Am×σ0＝n×D2×0.5σs/4，

式中，Am为螺栓最小截面，mm2；D 为螺栓名义直径，mm。

则对3 种预选螺栓拧紧扭矩分别如表5 所示。

表5 不同螺栓使用扭矩法预紧扭矩一览表

由表5 可知，原45 钢螺栓使用（20±5）N·m 的扭矩进行拧紧会过扭，导致螺栓过度伸长；建议螺栓进行机油浸泡润滑后进行装配，可以提升螺栓的拧紧扭矩的有效转化，且能适度预防螺栓锈蚀。

3.3 热膨胀系数影响分析

根据JAC 的发动机关键零部件材料随温度变化物理热学性能数据库，以上各种材料在一定温度区间的热膨胀系数［5］如下图5 所示；其中，在200 ℃时，缸盖材料HT250的热膨胀系数为1.234×10-5/K，排气歧管SiMo4.5 的热膨胀系数为1.351×10-5/K，拟选的4Cr9Si2、40Cr 和45 钢三种材料的热膨胀系数分别为1.22×10-5/K、1.2×10-5/K、1.17×10-5/K，由此可见，4Cr9Si2 材料的螺栓与缸盖和排气歧管的热膨胀系数性能最接近，40Cr 次之。

图5 排气歧管系统各种材料热膨胀系数随温度变化曲线图

在排气系统工作的情况下，由于缸盖和排气歧管包裹着螺栓，螺栓的温度应低于外界的缸盖和排气歧管，为将热膨胀系数差异的影响降低到最小程度，排气歧管螺栓的热膨胀系数应稍高于或接近缸盖和排气歧管，鉴于此，拟换螺栓材料最好选择4Cr9Si2，其次为40Cr，45 钢最差。

3.4 高温材料力学性能衰减分析

如图6 所示，根据JAC 的发动机关键零部件材料随温度变化的力学性能数据库，4Cr9Si2 材料在600～700 ℃时力学性能衰减严重、40Cr 在500～600 ℃时力学性能下降明显，45 钢性能衰减斜率较平滑，在400～500 ℃之间力学性能衰减趋势加强。一般柴油机排气歧管螺栓温度在300～500 ℃之间，据此判断，从力学性能高温衰减分析，40Cr 材料螺栓性能最佳，4Cr9Si2 次之，45 钢最差。

图6 排气歧管拟选用螺栓材料屈服强度随温度变化曲线图

3.5 分析结论

根据以上分析可知：

1）原六角头螺栓弹簧垫圈组合件设计方案不合理，70 钢的弹簧垫圈在高温作用下，力学性能衰减严重，拧紧力矩会逐渐减小，会引起松动失效；

2）原六角头螺栓弹簧垫圈组合件设计方案对45 钢螺栓使用（20±5）Nm 的扭矩进行拧紧会过扭，导致螺栓过度伸长，会产生松动风险；

3）建议将原六角头螺栓弹簧垫圈组合件设计方案变更为六角法兰面螺栓设计方案；

4）从螺栓能实现的预紧力分析，三种备选材料中，40Cr能实现最大的螺栓预紧力，4Cr9Si2 次之，45 钢最差；

5）从各种拟换螺栓材料的随温度变化热膨胀系数分析，螺栓材料最好选择4Cr9Si2，其次为40Cr，45 钢最差；

6）从力学性能高温衰减分析，40Cr 材料螺栓性能最佳，4Cr9Si2 次之，45 钢最差；

7）综合考虑性能和价格，建议新六角法兰面螺栓选用40Cr 材料，该螺栓在无润滑的情况下，采用扭矩法拧紧的拧紧扭矩为（20±5）Nm；在有润滑的拧紧时，拧紧扭矩为（20±5）Nm。

4 结 语

螺栓是以承受发生的工作负载和实现联接功能的关键零件，是动力的主要联接方式，其设计的合理性和拧紧的正确性，对动力总成的安全性至关重要。而排气歧管螺栓由于受到高温的影响，需要综合考虑相关联接件的力学性能和物理热学性能随温度变化情况的作用，综合考虑各方面因素正确设计和拧紧。本文通过对某款柴油机的排气歧管螺栓松动分析与优化设计的成功应用过程的描述，力求介绍这种受温度影响较大的关键螺栓的设计思路和分析流程。

［1］ 杨振宽.机械产品设计常用标准手册［M］.北京：中国标准出版社，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］ 中华人民共和国建设部.GB50017-2003 钢结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

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

［5］ 沈鸿.机械工程手册［M］.2版.北京：机械工业出版社,1996.