高抗拉、高延展——發(fā)動(dòng)機(jī)新型緊固件的應(yīng)用解析

尖端的擰緊方式搭配極高的抗拉強(qiáng)度和最大的延展性，在小型化和輕型化的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中具有全新的技術(shù)潛力。為在全球進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)環(huán)保，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，以此會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高，功率密度不斷提升，燃燒壓力、溫度和負(fù)荷的不斷增加，同時(shí)整機(jī)質(zhì)量持續(xù)減輕且具有更低的內(nèi)部摩擦。但緊固件是如何輔助發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展的呢？請看下文。

與一個(gè)形狀相同的10.9級螺栓相比，Kxtreme提供的概念使螺栓具有將預(yù)緊力增升45%的能力。這種能力可通過2種方式而實(shí)現(xiàn)。第一種是在需要較大預(yù)緊力的部位避免緊固件尺寸的持續(xù)擴(kuò)大，或在使預(yù)緊力保持一致性時(shí)使螺栓逐步小型化。在第二種情形下，螺栓直徑能減小一級，所以一個(gè)15.9 U級的M10螺栓能用于替代一個(gè)10.9級的M12螺栓。

Kamax公司正在開創(chuàng)全新方式來調(diào)整用于優(yōu)化性能特征的超高強(qiáng)度緊固件特性。該公司還采用了一個(gè)被稱為奧氏體回火（austempering）的熱處理過程，其在螺栓制造過程中較為獨(dú)特。隨著鋼基體相的奧氏體化，螺栓的微觀結(jié)構(gòu)被逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂名}浴的貝氏體（bainitic）微觀結(jié)構(gòu)。采用該方法，螺栓可提供較好的延展性并具有超高強(qiáng)度。除了其極高的強(qiáng)度，特有的延展值與典型的10.9級和12.9級螺栓相當(dāng)或者更高。

KXtreme概念螺栓包括從12.9U到17.9U強(qiáng)度等級和從M6到M20尺寸的所有長度、頭部形狀和擰緊力的類似產(chǎn)品。也可在進(jìn)行熱處理后實(shí)現(xiàn)螺紋滾牙處理，其與10.9級或者12.9級馬氏體螺栓類似。

除了超高強(qiáng)度和較好的延展性，貝氏體微觀結(jié)構(gòu)（標(biāo)明‘U’）對氫致應(yīng)力腐蝕開裂（HISCC）也具有較好的抵抗性。這使得螺栓能在高腐蝕性的環(huán)境中使用，例如底盤應(yīng)用件。對于HISCC的抗性在慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)中得到證實(shí)。在試驗(yàn)中，一批零件被分為兩部分，其中50%用于加載氫負(fù)荷，另外的50%在未加負(fù)荷的狀態(tài)中進(jìn)行試驗(yàn)。對兩批零件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，對已加氫載零件與未加氫載零件的比例也進(jìn)行了比較。其被稱為HE-value。HE值為1表明其具有最高的HISCC敏感度，而HE值為0則說明其完全不敏感。

12.9U到15.9U級的KXtreme緊固件表明HE值小于0.4，其與10.9級緊固件相當(dāng)。該特性允許零部件被應(yīng)用到所有的汽車部件中。16.8U和17.8U級螺栓試驗(yàn)后的HE值高于10.9級但明顯低于12.9級緊固件。因此這些緊固件僅為內(nèi)燃機(jī)的后續(xù)使用預(yù)留。

非常重要的的發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件是缸蓋螺栓、飛輪螺栓、主軸承蓋螺栓和連桿螺栓。Kamax緊固件解決方案在行業(yè)內(nèi)逐漸得以廣為人知，且自2013年起，大量同系列產(chǎn)品已經(jīng)成功在內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)中得以應(yīng)用。

與FEV集團(tuán)合作的Kamax公司最近對優(yōu)化的可能性進(jìn)行了調(diào)查，并評估了使用KXtreme緊固件的設(shè)計(jì)潛力。在研究前和研究中持續(xù)的預(yù)緊力是所有連接處的基礎(chǔ)假設(shè)。相關(guān)研究結(jié)果是通過對緊固件直徑減小一個(gè)級別來進(jìn)行部件優(yōu)化。在研究中，在輕型發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的較小螺栓的初始假設(shè)原本僅有一個(gè)優(yōu)勢。每臺發(fā)動(dòng)機(jī)減輕了約0.8 kg的總質(zhì)量，Kamax團(tuán)隊(duì)能證明其在發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦、熱管理和密封功能上也具有優(yōu)勢。

對下述兩個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)研究，其中第一項(xiàng)優(yōu)化的重點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體設(shè)計(jì)。通常缸套周圍的布置空間有限且較為緊湊，這導(dǎo)致圍繞缸套的冷卻液流動(dòng)截面小，從而妨礙了熱傳遞。較小的螺栓直徑允許水套底部具有更大的根部半徑，從而產(chǎn)生一個(gè)更大的冷卻影響區(qū)域并減小了部件壓力。這意味著更多的熱量能從缸孔傳遞到具有更低壓力的冷卻系統(tǒng)中，且通過較小的水泵對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，由此減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失。

第二項(xiàng)研究重點(diǎn)是飛輪緊固螺栓數(shù)量的減少。通常通過6個(gè)或8個(gè)緊固件將飛輪固定到曲軸法蘭上。在本次調(diào)查中，初始的8個(gè)螺栓被替換為6個(gè)具有同樣結(jié)構(gòu)的Kxtreme螺栓。螺栓裝配節(jié)圓直徑（PCD）能移向曲軸的中心線，且仍然保持同樣的螺栓間距（為了刀具后角），由此可使在徑向唇形密封的密封表面上具有低質(zhì)量、低慣性和低摩擦特點(diǎn)的曲軸法蘭面的外部直徑相應(yīng)減小。通常而言，KXtreme在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中可提供更大的自由度。對具有超高抗拉強(qiáng)度緊固件的螺紋旋合需求進(jìn)行確認(rèn)以承擔(dān)較高的預(yù)緊力。例如連桿材料的鋼材，螺紋旋合通常較為充分，但對于缸蓋螺栓而言，則需要增加約1×D的旋合長度。

Kamax完成了第二項(xiàng)調(diào)查，與EDAG公司合作，采用與發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化研究類似的方式，優(yōu)化且重新設(shè)計(jì)了一個(gè)底盤部件?；趯D(zhuǎn)向關(guān)節(jié)的試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)每個(gè)轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)能為系統(tǒng)節(jié)省約675 g的懸載質(zhì)量。Kxhead采用這類特殊設(shè)計(jì)的螺栓頭部，能進(jìn)一步減小螺栓質(zhì)量，同時(shí)結(jié)合內(nèi)六角和外六角緊固方式，與根據(jù)DIN 1665標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)六角螺栓相比，能減小超20%的螺栓頭部質(zhì)量。

Kamax有很多年用于量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車的KXtreme緊固件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。具有1 700 MPa強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部應(yīng)用螺栓和1 500 MPa強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)外部應(yīng)用螺栓都可得以應(yīng)用。對于氫脆腐蝕開裂的敏感性也比10.9級緊固件更好。

作者：ETi
整理：王少輝
編輯：伍賽特