圆柱型螺栓拧紧顺序对柴油机轴瓦的装配影响

张霞 曹美文 王俊杰 陈飞 白树学 梁国祥

摘要：针对某型车用柴油发动机装配过程中，不同拧紧顺序引起轴瓦不同程度变形，首先确立几种经典的螺栓拧紧方案;然后建立柴油机有限元模型，利用分布载荷步的方法实现不同方案加载顺序，从而得到最佳的拧紧顺序;最后根据轴瓦在实际装配过程中的变形量与模拟计算的结果误差保证在20%以内，确保实验的准确性与可行性。结果表明，分布加载螺栓预紧力比一次性加载能够最大程度的消除残余预紧力的作用，参照技术要求的拧紧顺序比工人实际装配经验的变形量小，但效率不高;同时，实验结果与实际测量变形值误差量在6～11%之间，满足实验可行性要求。

关键词：柴油发动机;螺栓拧紧顺序;装配

中图分类号：TH131.3                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0035-04

0  引言

螺栓作为重要的连接件，由于其具有拆装便捷、成本低、可靠性高等优点，因此被大量的应用在各个行业的装配流程中，俨然成为各零部件装配中必不可少的部件。在柴油发动机的装配过程中，螺栓对于上下箱体的连接起到了重要的作用，同时由于在装配过程中位于箱体中心的瓦孔位置会受到来自螺栓预紧力的影响，随着螺栓预紧力的不断增大，轴瓦的变形量也会发生相应的变化，因此这对于要求装配精度很高的轴瓦来说，研究螺栓的加载方式对轴瓦在装配过程的变形量很有必要。基于上述条件，本文针对在装配中轴瓦的变形，分别采用四种螺栓的拧紧方案进行有限元分析，得到最利于整机装配的方案。

1  建立柴油发动机的三维模型

利用三维建模软件UG对柴油发动机进行各零部件的建模，包括上箱体、中间体、双头螺栓、螺母以及轴瓦，为了减少后续有限元分析的计算量，将双头螺栓的螺纹部分省略掉，并将以上建好的零部件集成在装配体模块中进行装配建模，得到的三维模型如图1所示。

2  柴油发动机的有限元分析

2.1 材料参数的设定

在ANSYS workbench中对柴油发动机的各零部件进行材料参数的设置，其中上箱体采用铸铝件，中间体采用QT-400，螺栓采用默認的结构钢材料，材料属性如表1所示。

2.2 网格划分

将UG中装配好的三维柴油发动机模型导入生成后，对其进行网格划分，其中上下箱体由于比较复杂采用自动划分的方法。螺柱与轴瓦形状相对规整所以采用六面体划分的方法，同时将螺柱与轴瓦进行5mm网格大小设定，生成的网格如图2所示。

2.3 螺栓拧紧顺序方案

由于采用的是螺栓预紧力加载的方式，而在实际装配过程中得到的是关于螺栓拧紧的扭矩，所以需利用公式（1）将扭矩转化为力的大小。

F=T/kd     （1）

式中：F为螺栓预紧力的大小;k为扭矩系数;d为螺柱直径。

根据技术要求及实际装配过程，本次分析拟采用以下四种方案：

方案一：对7组螺栓同时进行螺栓预紧力的加载，并将预紧力施加到最大状态。

方案二：参照技术要求，对螺栓预紧力实行分布加载。加载方式如下：

①按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧内圈98N.m;②按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧外圈98N.m;③按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧内圈60°（即200N.m）;④按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧外圈60°（即220N.m）;⑤按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧内圈至120°（即310N.m）;⑥按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧外圈至120°（即330N.m）;⑦按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧内圈至180°（即390N.m）;⑧按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧外圈至150°（即370N.m）。

方案三：在方案一的基础上参照技术要求，对螺栓预紧力的加载顺序进行调整，调整方式如下：

①按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧内圈98N.m;②按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧内圈60°（即200N.m）;③按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧内圈至120°（即310N.m）;④按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧内圈至180°（即390N.m）;⑤按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧外圈98N.m;⑥按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧外圈60°（即220N.m）;⑦按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧外圈至120°（即330N.m）;⑧按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧外圈至150°（即370N.m）。

方案四：根据工人实际工作经验，在保证安装精度的基础上，提出了相对方便快捷的安装顺序，加载方式如下：

①按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧内圈98N.m;②按Ⅳ-Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序依次拧紧外圈98N.m;③Ⅳ内圈60°（即200N.m）;④Ⅳ内圈至120°（即310N.m）;⑤Ⅳ内圈至180°（即390N.m）;⑥重复3-5按Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序拧紧内圈;⑦Ⅳ外圈60°（即220N.m）;⑧Ⅳ外圈至120°（即330N.m）;⑨Ⅳ外圈至150°（即370N.m）;⑩重复7-9按Ⅲ-Ⅴ-Ⅱ-Ⅵ-Ⅰ-Ⅶ的顺序拧紧外圈。

按照公式（1）可以得到每一阶段的螺栓预紧力，即：

98N.m的力矩为24500N;200N.m的力矩为50000N;220N.m的力矩为55000N;310N.m的力矩为77500N;330N.m的力矩为82500N;370N.m的力矩为97500N;390N.m的力矩为92500N。

2.4 边界条件及载荷约束

根据实际装配流程，将上箱体的两个端面进行固定约束。

本文采用螺栓预紧力加载的方式，對所有螺栓施加Bolt pretension螺栓预紧力，由于方案二和方案三采用分布顺序加载，所以在analysis settings设置载荷步。根据每一阶段螺栓预紧力的大小，对其分别进行载荷步的设置，方案一采用一个载荷步，方案二采用9个载荷步，方案三采用19个载荷步，方案四采用107个载荷步。设置过程如图3所示。

2.5 结果后处理

完成边界条件的设定后，对箱体整机进行后处理求解，求解结果如下：

对于方案一来说，得到上箱体的总变形以及应力云图如图4所示。

从图4中可以看出，上箱体的最大变形和最大应力都出现在螺栓孔内，对应的负值分别为0.1315mm、90.351MPa，分析可知这是由于箱体在装配时螺栓受到拉力所导致的，同时箱体的屈服强度为250MPa，远大于最大应力值，所以符合强度要求。取7组轴瓦进行分析研究，得到的总变形及应力云图如图5所示。

观察图5可以发现，7组轴瓦的最大变形发生在靠近飞轮端的上轴瓦上表面处，最大变形量为0.036mm，变形相对整机的装配要求来说有些偏大;最大应力值则出现在第四组轴瓦的上下轴瓦的接口处，最大应力值为43.248MPa，这是由于受到上箱体的挤压力而造成的。

对于方案二来说，直接取轴瓦的总变形和应力云图进行研究分析，得到的结果如图6所示。

从图6的分析结果可以看出，轴瓦的最大变形与最大应力值发生的位置同方案一相同，对应的变形量与应力值变为0.0233mm和28.281MPa，满足设计要求，而相对方案一来说，变形量与应力值都有所降低，证明采用分布加载的方式要优于一次性加载。

对于方案四来说，由于其能够减少装配时间，所以研究此方案很有必要，经过分析得到轴瓦的总变形及应力云图结果如图7所示。

由图7可以看出，轴瓦的最大变形和应力位置，同方案一的相同，但变形量与应力值变为0.0262mm与32.244MPa，相比方案一来说变形增大了0.0029mm，应力增加了3.963MPa。

总体来说，方案一对于整体装配影响较大，故不予采用;方案二和方案三的结果在设计范围内，可按照上述方案进行装配;对方案四来说，其变形值与应力值都相对方案二和方案三有所增加，但考虑到其装配便捷，可节省装配时间，可予以考虑。

选取方案二和方案四中每一个轴瓦在每一个载荷步的变形汇总成表，观察轴瓦的变化过程，如图8所示。

观察图8（a）、图8（b）两图不难发现，方案二中7号轴瓦（靠近飞轮端）的变形从变形开始就远远大于其它6片轴瓦的变形;而方案四中7号轴瓦的变形最开始阶段是要小于其它轴瓦的变形，在6.5s时第一次超过其余轴瓦，在58s时第二次超过其余轴瓦，并保持最大变形的状态。

由此可知，轴瓦在方案二和方案四中不同阶段的变形情况也并不相同，方案二趋于缓慢增加变形量，而在方案四中轴瓦的变形大多呈现陡峭式的增加，对于整机的装配有着重大的影响。因此，综合考虑，选取方案二和方案三为装配最优解。为了便于比较将四种方案的相关数据汇总成表，如表2所示。

3  实验验证

为了验证仿真结果与实际装配机构的一致性，选取3-5台样件，分别按照方案二、方案三、方案四的拧紧方式进行验证（由于方案一对整机装配影响较大，不予考虑验证），并检测瓦孔，对比在不同拧紧方式紧固后，主轴承瓦孔在不同方向上的直径差（按制造验收规范测量A、B、C三个方向），分析得到采用第二种方案的主轴孔直径差值平均值为0.0246mm，与应力应变仿真模拟的偏差约为6%;采用第三种方案主轴承孔直径差值平均值为0.0250mm，与应力应变仿真模拟差值约为7%;采用第四种方案主轴承孔直径平均值为0.0295mm，与应力应变仿真模拟的偏差约为11%，均满足技术指标轴瓦应力应变模拟仿真偏差≤20%。

4  结论

利用ANSYS workbench建立某型柴油发动机的有限元模型，通过载荷步加载的方式实现不同螺栓拧紧方案的目的，经过分析得到以下结论：

①方案三相比其余方案更加优化，对于轴瓦变形量影响更小，能够提高柴油机的装配性能;

②在所有的轴瓦中，靠近飞轮端的轴瓦变形最大，这是由于装配时两端重量不一致，导致残余应力分布不均匀导致;

③通过仿真得到的变形量与实际的变形量相差范围≤20%，保证了实验的准确性与可行性。

参考文献：

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