拧紧工艺对机体主轴孔二次把合的变形影响分析

侯增辰，祁小玲，张连杰，马伟

潍柴动力股份有限公司 山东潍坊 261000

1 序言

主轴孔作为放置轴瓦及曲轴的关键结构，其接触部位是发动机运转过程中的危险部位之一。机体主轴孔在主轴承盖螺栓拆除并再次重新装配后，存在主轴孔尺寸无法恢复到首次加工时状态的问题[1]。气缸体与曲轴箱或主轴承盖存在错牙与主轴孔失圆问题，导致轴瓦与机体间间隙不均，影响油膜的形成，进而引起发动机摩擦功增大，甚至出现主轴瓦拉瓦等问题，严重情况下会导致发动机报废，因此保证主轴孔的加工精度尤为重要。

主轴孔在各个工艺中的变形失圆过程如图1所示，具体如下。

图1 主轴孔失圆过程

1）精镗主轴孔后，在螺栓拧紧状态下主轴孔为圆孔。

2）将主轴承螺栓拧松，主轴孔回弹变形，呈现竖椭圆。

3）主轴承螺栓二次拧紧，主轴孔变扁，呈现横椭圆，同时发生错位变形。

2 拧紧工艺方案制定

螺纹联接广泛应用在气缸体、曲轴箱和轴承盖等紧密性要求较高的部位，合适的拧紧工艺设计、控制模式选用和异常因素管控，可以减小主轴孔二次把合造成的孔径变形。从拧紧控制理论上讲，扭矩与转角控制法相结合优于单纯的扭矩控制法。本次试验对象为某13L柴油发动机机体，机体结构如图2所示。

图2 某13L柴油机机体结构

选用适当的预紧力对螺纹联接的可靠性以及联接件疲劳强度都是有利的，过大的预紧力会导致整个联接的尺寸增大。为了保证联接所需的预紧力，又不使螺纹联接件过载，在装配时要控制预紧力和螺栓预紧方式[2]。

该机体采用扭矩转角法完成主轴承螺栓的拧紧，同时考虑拧紧前进行预拧紧，采用拧紧-暂停-拧紧的方式达到规定扭矩，从而降低拧紧散差[3]。按表1的拧紧工艺拧紧主轴承盖螺栓，完成曲轴箱与气缸体的把合。

表1 主轴承盖螺栓拧紧工艺方案

3 拧紧工艺试验

对3种不同的拧紧工艺分别进行精镗主轴孔后、松开并对同工艺二次把合后的各档主轴孔进行测量，工艺试验流程如图3所示。

图3 工艺试验流程

实测主轴承螺栓在预紧过程中主轴孔圆周节点三坐标值，并计算主轴孔变形量和接合面错位变形量。对镗孔加工后、松开螺栓后到螺栓二次预紧、拧紧螺栓并施加转角后对各个工步的主轴孔节点坐标进行测量，对比分析不同拧紧工艺对主轴孔二次把合后的变形情况及错位量的影响，寻找出最优拧紧工艺。

采用三坐标测量设备分别在每档主轴孔测量截面内进行打点测量，如图4所示。从主轴孔右侧开始沿逆时针方向每隔10°测一个点，测量数值为各测量点到拟合圆心的距离。测量姿态为机体底面朝上，0°与180°为气缸体与曲轴箱结合面，10°～170°的测点分布在曲轴箱上，190°～350°的测点分布在气缸体上。

图4 三坐标测量设备及测量点取点分布

4 试验数据分析

4.1 拧紧工艺1试验结果分析

采用拧紧工艺1，二次把合前后各测量点分布情况如图5所示。二次拧紧后主轴孔出现失圆现象，高度方向曲轴箱到拟合圆心距离减小0.0083mm，气缸体侧到拟合圆心距离减小0.0065mm。曲轴箱为薄壁结构，其刚性比气缸体差，相同拧紧力矩情况下，曲轴箱的变形量大于气缸体的变形量。

图5 拧紧工艺1二次把合前后测点分布情况

4.2 拧紧工艺2试验结果分析

拧紧工艺2二次把合前后各测量点分布情况如图6所示。高度方向曲轴箱到拟合圆心距离减小0.0078mm，体侧到拟合圆心距离减小0.0047mm，相比拧紧工艺1分别提升6%和27.7%。分步拧紧工艺对气缸体侧主轴孔二次把合变形改善效果优于曲轴箱。

图6 拧紧工艺2二次把合前后测点分布情况

4.3 拧紧工艺3试验结果分析

采用拧紧工艺3二次把合前后各测量点分布情况如图7所示。高度方向曲轴箱到拟合圆心距离减小0.0071mm，气缸体侧到拟合圆心距离减小0.0052mm，相比拧紧工艺1分别提升14.5%和20%。

图7 拧紧工艺3二次把合前后测点分布情况

4.4 错位量结果对比分析

对3种拧紧工艺气缸体与曲轴箱的0°及180°方向上孔径的变化情况进行测量统计，对比见表2。

表2 各拧紧工艺的二次把合前后孔径变化对比（单位：mm）

计算各拧紧工艺二次把合产生的错位量如图8所示。采用拧紧工艺1，气缸体与曲轴箱的最大错位量为0.0189mm，平均错位量为0.0070mm；采用拧紧工艺2，气缸体与曲轴箱的最大错位量为0.0111mm，平均错位量为0.0044mm；采用拧紧工艺3，气缸体与曲轴箱的最大错位量为0.0046mm，平均错位量为0.0032mm。

图8 不同拧紧工艺各档错位量

采用分步预紧工艺对错位量均有不同程度的改善，其中拧紧工艺3对错位量的改善效果最好。

4.5 主轴孔圆度、圆柱度对比分析

主轴孔截面拟合圆的圆度及改进幅度如图9所示。相比拧紧工艺1，拧紧工艺2各档主轴孔截面圆度误差平均改善10.2%，最大改善22%；拧紧工艺3各档主轴孔截面圆度误差平均改善23.5%，最大改善34.4%。

图9 不同拧紧工艺二次把合后各档主轴孔圆度

主轴孔截面拟合圆的圆柱度及改进幅度如图10所示。相比拧紧工艺1，拧紧工艺2各档主轴孔截面圆度误差平均改善5.6%，最大改善23.6%；拧紧工艺3各档主轴孔截面圆度误差平均改善14.9%，最大改善37.6%。

图10 不同拧紧工艺二次把合后各档主轴孔圆柱度

5 结束语

由于气缸体与曲轴箱刚度存在差异性，所以曲轴箱高度方向的变形量大于气缸体。采用分步预紧把合可改善气缸体与曲轴箱高度方向的变形量，气缸体变形量改善提升20%～27.7%，曲轴箱高度方向变形量改善提升6%～14.5%。

分步拧紧工艺对于错位及主轴孔圆度、圆柱度改善明显，错位量由0.007mm减小为0.0032mm，提升54.3%，圆度提升34.4%，圆柱度提升37.6%。

对于曲轴箱结构，先预紧一侧主轴承螺栓，后预紧另一侧主轴承螺栓，同时采用分步拧紧工艺，改善效果更优。