汽车发动机减振皮带轮螺栓螺纹烂牙的分析

□ 陈丽霞 □ 刘 爽 □ 李 帅 □ 胡 广

宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江宁波 315336

1 存在的问题

螺栓又称紧固件,是将两个或两个以上零件紧固连接成为一个整体的一类机械零件的总称。根据不同级别,螺栓可以分为标准件和高强度螺栓,作用相同。螺栓在机械行业中是不可缺少的零件。在发动机中,螺栓应用较为普遍。螺栓将减振皮带轮和曲轴连接成为一个整体,曲轴旋转时,通过减振皮带轮带动前端轮系转动,使前端轮系实现功能。

某车辆在行驶过程中发动机前端轮系各零件、油底壳及周围机舱全部被机油打湿,冷机状态下不漏油,热机运转时机油从曲轴前端油封流出,呈滴状下落。车辆漏油如图1所示。检查发现该车辆发动机减振皮带轮螺栓螺纹烂牙,笔者对此进行分析。

2 拆解分析

该车辆发动机前端连接结构如图2所示,减振皮带轮通过螺栓与曲轴连接,油封与减振皮带轮轴颈配合密封。

检查发现,减振皮带轮轴颈已经断裂,如图3所示,由此在减振皮带轮运转过程中导致油封密封唇口损坏,造成油封漏油。

同时检查发现,减振皮带轮螺栓螺杆头部一段螺纹已损坏,如图4所示。

通过拆解初步确认,减振皮带轮螺栓螺纹损坏,造成拧紧时产生假力矩,螺栓法兰未与减振皮带轮接触。发动机运行时,减振皮带轮键槽受力,导致减振皮带轮轴颈断裂,运转时划伤曲轴,造成油封损坏。

对比故障发动机与合格发动机的减振皮带轮螺栓拧紧曲线,如图5所示。故障发动机减振皮带轮螺栓拧紧力矩建立角度范围在-70°～110°之间,合格发动机减振皮带轮螺栓拧紧力矩建立角度范围在5 000°～6 500°之间。正常情况下,减振皮带轮螺栓预拧紧后,减振皮带轮螺栓垫片暂未与减振皮带轮接触面安装贴合,拧紧角度增大,拧紧力矩暂未建立。

减振皮带轮螺栓预拧紧阶段,螺杆螺纹与曲轴螺纹孔螺纹配合失效,导致减振皮带轮螺栓垫片与减振皮带轮接触面未贴合前,拧紧力矩增大。

对故障进行复现验证。模拟正常装配,减振皮带轮螺栓拧紧有两个步骤。工位1进行预拧紧,建立拧紧力矩后拧紧螺纹两三牙。工位2由拧紧机控制力矩,采用转角法终拧紧。预拧紧减振皮带轮螺栓后,存在螺栓头部超出减振皮带轮外侧面的情况,如图6所示。拧紧机主轴前端套筒接触减振皮带轮螺栓头部后,拧紧机主轴压缩行程达到极限,而拧紧机气动滑台继续前进,导致拧紧机主轴前端套筒撞击减振皮带轮螺栓头部,如图7所示。减振皮带轮螺栓头部存在撞击磨损痕迹,如图8所示,同时拧紧机报警,拧紧曲线出现异常。

拆解确认,减振皮带轮螺栓头部一段螺纹已被磨平,如图9所示。对曲轴螺纹孔进行剖切,确认内部螺纹状态,与减振皮带轮螺栓螺纹烂牙对应部位的螺纹已损坏。

3 故障原因分析

经过故障复现验证,锁定故障环节,问题发生在终拧紧阶段,拧紧机主轴前端套筒接触减振皮带轮螺栓头部过程中出现异常。减振皮带轮螺栓拧紧工序如图10所示。

观察工位操作者装配50台发动机,均按照作业指导书要求,使用电动拧紧枪预拧紧减振皮带轮螺栓,减振皮带轮螺栓均顺畅拧入曲轴螺纹孔。检测故障件减振皮带轮螺栓及同批次螺栓尺寸,头部厚度的要求为18.75～19 mm,实测为18.52～18.96 mm,公称长度的要求为99.3～100.7 mm,实测为99.50～99.72 mm,减振皮带轮螺栓尺寸合格。

对故障件减振皮带轮螺栓化学成分及表面硬度进行分析,化学成分检测结果见表1,各化学成分指标均满足要求。表面维氏硬度(HV)要求为385～435,实测为417。可见,理化性能均满足要求。

表1 螺栓化学成分检测结果

终拧紧工位减振皮带轮螺栓拧紧机气动滑台行程固定为300 mm,拧紧机主轴缓冲行程最大为50 mm。通过现场模拟,将减振皮带轮螺栓预拧紧后,气动滑台前进,拧紧机主轴前端套筒接触减振皮带轮螺栓头部,存在拧紧机主轴压缩行程达到压缩极限,而气动滑台未前进到位的问题。气动滑台行程监控如图11所示。

在预拧紧工位,操作者使用电动拧紧枪预拧紧减振皮带轮螺栓,电动拧紧枪的预拧紧力矩范围为6～9 N·m,要求拧紧两三牙。通过查看减振皮带轮螺栓拧紧曲线,根据拧紧角度变化,核算拧紧力矩增大前的拧紧角度,推算减振皮带轮螺栓未拧紧前的外露长度,即减振皮带轮螺栓头部法兰面与减振皮带轮贴合面之间的距离。减振皮带轮螺栓外露长度如图12所示。

现场实际测量减振皮带轮螺栓拧紧至与减振皮带轮贴合时拧紧机主轴的前进行程,确认减振皮带轮螺栓预拧紧后允许外露长度最大为25 mm。

根据减振皮带轮螺栓拧紧曲线,结合拧紧力矩增大前的拧紧角度,计算减振皮带轮螺栓未拧紧前外露长度为29.6 mm,大于25 mm,确认减振皮带轮螺栓预拧紧行程不合格。

预拧紧减振皮带轮螺栓后,减振皮带轮螺栓外露长度大于5 mm,拧紧机主轴达到压缩极限,拧紧机气动滑台前进行程未达到300 mm,气动滑台继续前进,导致拧紧机主轴前端套筒撞击减振皮带轮螺栓。减振皮带轮螺栓受到外力撞击,减振皮带轮螺栓螺纹与曲轴螺纹孔螺纹配合失效,在挤压力作用下,产生烂牙。

由分析最终认定,拧紧机气动滑台前进行程超差,拧紧机主轴前端套筒压缩行程不足,减振皮带轮螺栓预拧紧行程不足,导致减振皮带轮螺栓螺纹烂牙。

4 整改措施

针对拧紧机主轴缓冲行程不足,更换拧紧机主轴,增大拧紧机主轴的缓冲行程。

针对减振皮带轮螺栓预拧紧行程不足,增大电动拧紧枪的拧紧力矩,力矩范围由6～9 N·m扩大为15～25 N·m,进而增大减振皮带轮螺栓预拧紧行程。

5 效果验证

采取整改措施后,进行减振皮带轮螺栓现场拧紧评价。现场实际测量得到减振皮带轮螺栓预拧紧行程增大了14 mm,减振皮带轮螺栓外露长度小于25 mm,合格。查看整改前后减振皮带轮螺栓拧紧曲线,分别如图13、图14所示。整改前拧紧机拧紧减振皮带轮螺栓,拧紧角度分布在3 400°～7 000°之间,整改后拧紧机拧紧减振皮带轮螺栓,拧紧角度分布在1 000°～5 000°之间。

整改后通过两万台装机验证,减振皮带轮螺栓螺纹烂牙问题未再发生,整改措施有效。

6 结束语

笔者对某车辆发动机减振皮带轮螺栓螺纹烂牙问题进行分析,确认了问题原因,并提出了整改措施。在减振皮带轮装配过程中,要考虑预拧紧和终拧紧的配合。在分配拧紧行程时,要考虑拧紧力矩分配的合理性。在机械自动化程度较高的装配环境下,对机械装配调试的合理性要充分验证。通过更换拧紧机主轴,增大拧紧机主轴缓冲行程,扩大电动拧紧枪拧紧力矩范围,增大减振皮带轮螺栓预拧紧行程,解决了减振皮带轮螺栓螺纹烂牙问题。