排气系统耐热双头螺柱的应用研究

刘向峰 吴卫钰 郑洲洋

(宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，宁波 315336)

0 前言

在机械行业，螺栓连接是1种非常普遍的紧固形式。汽车及其他各种机器总成的各个零部件之间的组装，基本上都是依靠螺栓连接。在众多的螺栓型号中，双头螺柱由于其独特的结构形式，以及在安装零部件的过程中具有一定的导向和定位作用，使其在装配工艺上独具优势，成为零部件装配固定的必要考虑因素。此外，在螺栓/螺柱的连接设计中，设计者不仅要充分考虑螺栓的尺寸、材料、公差等级、机械性能等，还要充分考虑螺栓的应用环境，如温度场(高/低温)、振动、冷热交替、腐蚀性等环境影响因素。

排气系统由于其环境的特殊性和连接件间的密封问题，一直是各大厂家研发过程的设计难题。目前，常见汽油发动机的排气温度范围在800～1 000 ℃，且随着各大厂家对发动机性能的不断提升，排气温度呈逐步上升趋势。在如此高的环境温度下，对于螺栓材料的耐高温性能具有特殊的要求。本文对双头螺柱在汽油发动机缸盖与排气歧管及缸盖与增压器间的连接应用这1课题进行专题讨论。

1 应用评判

根据行业内实际应用的情况，将双头螺柱在实际使用过程中无脱落、无断裂，密封垫片无漏气现象等，将其定义为双头螺柱/螺栓未产生失效的判定标准。如仅为试验或使用后力矩衰减，但未导致上述失效产生，原则上不会将其定义为螺柱/螺栓失效。

2 应用环境分析

经过对比各平台机型的仿真分析及实际结果，排气歧管表面温度最高约800 ℃，但在缸盖与增压器/排气歧管连接处，耐热螺栓/双头螺柱温度场分布却在300 ℃以下，这主要得益于缸盖水套的冷却效果。受缸盖水道内的冷却液影响，一般缸盖处法兰部分温度约110 ℃(与冷却液温度大致相当)。图1为增压器安装螺栓/双头螺柱温度分布示意图。不同于增压器与后处理连接处的高温区域，缸盖法兰处得益于冷却系统的影响，温度场大幅改善。此结果为缸盖连接处耐热双头螺柱的材料选型提供了强有力的理论基础。

图1 增压器安装螺栓/双头螺柱温度分布示意图

如上分析，在螺栓的选材方面，可以充分地考虑成本因素，在高温合金刚中选取低成本满足性能要求的材料，甚至选择成本更具优势的普通合金钢作为替代品。表1为不同项目采用计算机辅助工程(CAE)进行仿真计算后的温度分布结果。

3 力学性能对比

在试验条件下，取常用的GH2132、SNB16及SCM435 3种材质作为横向对比。3种材料的成本由高到低依次为：GH2132、SNB16、SCM435。在不同温度下，测试抗拉性能与屈服性能对测试结果进行汇总对比，力学性能曲线如图2所示。

表1 不同项目CAE仿真计算温度分布结果

从试验数据可以看出，在520 ℃以下，SCM435的材料力学性能优于SNB16，但从性能的变化范围考虑，SNB16相同条件下变化范围更小，稳定性更具优势。在温度为500 ℃以上，GH2132的抗拉强度能保持较好的稳定性，体现出高温合金钢的材料性能优势。经综合对比，缸盖与增压器、缸盖与排气法兰连接处，材料选择优先推荐SCM435，材料成分的差异见表2。

图2 高温条件下材料性能对比曲线(样本统一取M10×1.5螺柱/螺栓进行测试，夹紧长度35～45 mm)

表2 耐热材质的成分分析

此外，对于增压器连接后处理位置等温度超过500 ℃及以上的高温区域，需按照实际温度场边界选用合适的螺栓/螺柱材质。常用的高温合金钢材质及参考标准见表3。

表3 推荐常用 耐热合金钢类型及参考标准

4 试验结果对比

目前，某主机厂几大平台缸盖连接增压器、排气歧管处的双头螺柱采用的材料是SNB16与SCM435。这2种材料在不同平台的搭载，经研发过程耐久试验及批量市场验证均满足设计要求，双头螺柱均无断裂、脱落或垫片漏气等相关失效情况产生。

图3 某机型螺栓/双头螺柱的分布示意图

5 实际对标分析

为确保实际应用的可行性，研发人员选取了行业内主流同类产品进行测试对标。所选取样品均为缸盖排气侧安装双头螺柱，用途为增压器或排气歧管处的连接。通过对样品材质进行理化分析检测，并对照金属分析表可得出相关样品的材料牌号，详见表5。经对比可知，在采集的9个样品中， GH2132材料为3款，SCM435材料为3款，SWRCH35K(Cr<0.3%，碳钢)材料为3款。高温合金钢(GH2132)占比仅33.3%，符合分析理论。

表4 某机型SNB16改SCM453材料耐久测试结果

表5 各大主机厂主流机型排气侧双头螺柱成分鉴定结果

针对上述材料的分析对比，本着工程化、成本考虑，缸盖连接增压器、排气歧管处的双头螺柱已逐步采用SCM435进行平台间通用化设计开发及验证。其中，某机型缸盖与增压器连接处采用SCM435材料替代原有的SNB16材料(固定方式为2个耐热双头螺柱和2个耐热螺栓)，预计单台发动机可实现材料降本2元左右。经耐久试验后拆解评审，排气垫片无漏气现象，各双头螺柱配合螺母的力矩记录见表4，螺栓分布的示意见图3。经对比分析可知，SCM435材质双头螺柱同样满足该机型缸盖连接增压器处的密封要求。

6 结语

排气系统螺栓力矩衰减、垫片漏气是常见的失效模式，但随着近些年缸盖集成排气歧管技术的流行，间接规避、改善了以往排气垫片固定螺栓苛刻的高温条件。在实际的应用开发中，可根据缸盖连接处的温度场，充分利用缸盖水套的冷却收益，来降低耐热双头螺柱/螺栓选用材料的耐热等级，以达到降低成本的目的。根据缸盖连接增压器/排气歧管的应用分析，结合成本收益，优先推荐SCM435材质。本文通过实际分析及对标举例的说明，同时为排气系统其他连接位置的耐热螺栓、双头螺柱的材料选型提供了参考。实际应结合发动机台架耐久试验及整车动力总成耐久试验，本文尽可能地模拟了客户实际的用车工况，并进行充分的设计验证。本文所列举的各种材质，为各主流发动机厂常用的耐热螺栓选用材质，不仅为设计选型初期提供参考，同时也可为耐热螺栓的平台化、通用化，提供了理论支撑。