螺栓预紧力对发动机汽缸盖疲劳特性的影响

唐 泉

(广西嘉德机械股份有限公司，广西 玉林 537000)

1概述

1.1螺栓预紧力

螺栓是连接螺纹的零件，是最常用最基础的零件之一，在使用的时候必须要拧紧，才可以承载工作负荷，在载荷之前预先受到的力的作用，就是预紧力，预紧的目的就是为了连接更加可靠，以防出现松弛或者断裂的现象。

1.2汽缸盖

缸垫座位于汽缸体和汽缸盖之间，作用是密封和隔离，如果汽缸盖因为疲劳造成松弛等现象，会导致冷却液进入汽缸内，影响发动机的正常运行。

汽缸盖的密封功能对发动机的技术情况有很大的影响。当汽缸盖密封不严时，汽缸就会走漏，导致汽缸紧缩，压力缺乏，温度下降，空气质量下降。当汽缸走漏严峻时，发动机功率会显著下降，甚至不能作业。因此，假设发动机运转中出现功率下降缺点，除了查找影响发动机功率下降的相关原因外，还需要检查汽缸盖的密封功能是否杰出。

汽缸盖螺栓的预紧力有一个固定的理想值，可以保证那个汽缸盖最大限度地使用，但是，若预紧力没有达到预期值，螺栓松动引起的震动将使汽缸垫磨损更加严重、使用期限缩短。假设联接螺栓太松，汽缸盖相对于汽缸体的跳动量会增加；假设联接螺栓拧紧过紧，会导致联接螺栓的应力逾越其屈服强度极限，然后导致联接螺栓的伸长逾越其规划公差，这也会导致汽缸盖跳动量增加，加速汽缸盖垫片的磨损。所以需要对预紧力做出正确的计算，考虑诸多因素引起的误差，减少实际预紧力与理想值的差距。

2螺栓预紧力分析

2.1影响螺栓预紧力的几个因素

在螺栓装配工作中，“扭矩”“预紧力”“摩擦力”这3个专业术语是很重要的。

此外，预紧力虽然可以提高螺栓连接的可靠性，防止螺栓松弛，但是物极必反，若是预紧力太高也会导致连接松弛不可靠等现象的发生，所以，需要正确计算螺栓的预紧力，预紧力有一个相关系数，成为预紧力矩，与拧紧力系数、螺纹公称直径和预紧力相关，都是影响螺栓连接的因素。

螺栓的属性可以与弹簧相比较。当弹簧被拉伸时，有一个反作用力试图将其拉回到其最初的形状。该力被称为夹紧力或预紧力。螺栓是有弹性的，当受到的力越来越大时会变长。只要这个力小于屈服点，当力减小时螺栓就会回复到其初始形状。当螺栓拧紧时，施加扭矩。扭矩是垂直于杠杆臂施加并引起旋转运动的力。所以施加正确的扭矩对于确保正确的夹紧力和安全的螺栓连接至关重要。

预紧螺栓的主要方法之一是在其头部施加扭矩。这是业界非常普遍的做法，但要精确控制并不容易。当螺栓向下旋紧时，旋转的动作会转变成线性的作用，使螺栓被拉伸，同时连接部件被压缩。但是扭矩中只有很少一部分转变成了有效的预紧螺栓的力。大部分的扭矩都作用在了克服螺栓旋转产生的摩擦力上。摩擦产生于两个接触表面：在转动部件和夹紧部件之间(通常在螺栓头下方或螺母下方)以及螺纹当中。这意味着有效转换成预紧力的扭矩只是相当小一部分，通过扭矩/拉伸测试可以算出两个接触面间的摩擦系数。测试结果发现通常只有10%的扭矩作用在了预紧力上，其余都用来克服摩擦力而抵消。

例如，50%的输入扭矩用于克服螺栓头下表面的摩擦力，40%的输入扭矩用于克服螺纹间的摩擦力，因此，扭矩上紧法并不是非常高效。但是可以通过使用润滑剂来增加扭矩的转换率。使用润滑剂可以有效降低摩擦力，在相同的预紧力值目标下，使用润滑剂比不使用润滑剂，扭矩值更小。

但是因为摩擦系数会有一定的变化，会导致再进行预紧力的计算时产生一定的误差，所以需要提供一些工具来减少摩擦力的产生，例如使用润滑剂、面漆等工具，或者使用特定摩擦系数的螺栓可以降低误差，计算出更接近实际值的预紧力。

以下图为例：

上图中的零件在施加正压力F前，螺栓副已经按照预紧力要求控制力矩安装好了，此时螺栓和零件1都有应变(螺栓沿F方向被拉长，零件1沿F方向被压短)，同时因预紧力的缘故，a面上因预紧力产生的摩擦力能够保证零件在侧向力N的作用下不移动。施加一个逐渐增大的正压力F，此时：

(1)F小于所有螺栓副预紧力之和时，螺栓的变形量减小，零件1的变形量增大，但a面上的正压力不变，a面上的摩擦力能够保证零件在侧向力N的作用下不移动;(2)F等于所有螺栓副预紧力之和时，螺栓正好恢复到不受力的状态，零件1的变形量增大，a面上的正压力不变，a面上的摩擦力能够保证零件在侧向力N的作用下不移动;(3)F大于所有螺栓副预紧力之和时，螺栓为不受力的状态，零件1的变形继续量增大，a面上的正压力比零件在施加正压力F前大，a面上的摩擦力能够保证零件在侧向力N的作用下不移动;(4)F大于零件1的屈服极限，零件1被压溃。

综上所述，受压时，保证螺栓的规定预紧力就足够了。

3结语

发动机是推动机械进行运动的装置，发动机受到影响小，则影响机器的正常运作，大则容易对周遭人员造成安全威胁。汽缸盖则是对发动机的一种保护机制，但是由于工作环境的影响，汽缸盖很容易疲劳受到损毁，但是可靠的螺栓可以加长汽缸盖的使用寿命，所以螺栓的使用寿命很重要。控制好螺栓的预紧力可以提高连接的可靠性，增强连接的紧密性和刚度。