汽車發(fā)動機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械零件的總稱。根據(jù)不同級別,螺栓可以分為標準件和高強度螺栓,作用相同。螺栓在機械行業(yè)中是不可缺少的零件。在發(fā)動機中,螺栓應用較為普遍。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)動機前端輪系各零件、油底殼及周圍機艙全部被機油打濕,冷機狀態(tài)下不漏油,熱機運轉(zhuǎn)時機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)動機減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙,筆者對此進行分析。

2 拆解分析

該車輛發(fā)動機前端連接結(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轉(zhuǎn)過程中導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,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)動機運行時,減振皮帶輪鍵槽受力,導致減振皮帶輪軸頸斷裂,運轉(zhuǎn)時劃傷曲軸,造成油封損壞。

對比故障發(fā)動機與合格發(fā)動機的減振皮帶輪螺栓擰緊曲線,如圖5所示。故障發(fā)動機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。

減振皮帶輪螺栓預擰緊階段,螺桿螺紋與曲軸螺紋孔螺紋配合失效,導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。

對故障進行復現(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進行預擰緊,建立擰緊力矩后擰緊螺紋兩三牙。工位2由擰緊機控制力矩,采用轉(zhuǎn)角法終擰緊。預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。擰緊機主軸前端套筒接觸減振皮帶輪螺栓頭部后,擰緊機主軸壓縮行程達到極限,而擰緊機氣動滑臺繼續(xù)前進,導致擰緊機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,同時擰緊機報警,擰緊曲線出現(xiàn)異常。

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

3 故障原因分析

經(jīng)過故障復現(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,均按照作業(yè)指導書要求,使用電動擰緊槍預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成分及表面硬度進行分析,化學成分檢測結(jié)果見表1,各化學成分指標均滿足要求。表面維氏硬度(HV)要求為385～435,實測為417?？梢?理化性能均滿足要求。

表1 螺栓化學成分檢測結(jié)果

終擰緊工位減振皮帶輪螺栓擰緊機氣動滑臺行程固定為300 mm,擰緊機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擰緊后,氣動滑臺前進,擰緊機主軸前端套筒接觸減振皮帶輪螺栓頭部,存在擰緊機主軸壓縮行程達到壓縮極限,而氣動滑臺未前進到位的問題。氣動滑臺行程監(jiān)控如圖11所示。

在預擰緊工位,操作者使用電動擰緊槍預擰緊減振皮帶輪螺栓,電動擰緊槍的預擰緊力矩范圍為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主軸的前進行程,確認減振皮帶輪螺栓預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,確認減振皮帶輪螺栓預擰緊行程不合格。

預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,擰緊機主軸達到壓縮極限,擰緊機氣動滑臺前進行程未達到300 mm,氣動滑臺繼續(xù)前進,導致擰緊機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。

由分析最終認定,擰緊機氣動滑臺前進行程超差,擰緊機主軸前端套筒壓縮行程不足,減振皮帶輪螺栓預擰緊行程不足,導致減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙。

4 整改措施

針對擰緊機主軸緩沖行程不足,更換擰緊機主軸,增大擰緊機主軸的緩沖行程。

針對減振皮帶輪螺栓預擰緊行程不足,增大電動擰緊槍的擰緊力矩,力矩范圍由6～9 N·m擴大為15～25 N·m,進而增大減振皮帶輪螺栓預擰緊行程。

5 效果驗證

采取整改措施后,進行減振皮帶輪螺栓現(xiàn)場擰緊評價?，F(xiàn)場實際測量得到減振皮帶輪螺栓預擰緊行程增大了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)動機減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙問題進行分析,確認了問題原因,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。在機械自動化程度較高的裝配環(huán)境下,對機械裝配調(diào)試的合理性要充分驗證。通過更換擰緊機主軸,增大擰緊機主軸緩沖行程,擴大電動擰緊槍擰緊力矩范圍,增大減振皮帶輪螺栓預擰緊行程,解決了減振皮帶輪螺栓螺紋爛牙問題。