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高抗拉、高延展——发动机新型紧固件的应用解析

2020-02-12 23:54:40·  来源:汽车与新动力
   
尖端的拧紧方式搭配极高的抗拉强度和最大的延展性,在小型化和轻型化的发动机设计过程中具有全新的技术潜力。为在全球进一步实现环保,需要对发动机进行技术优化,以此会导致发动机效率更高,功率密度不断提升,燃烧压力、温度和负荷的不
尖端的拧紧方式搭配极高的抗拉强度和最大的延展性,在小型化和轻型化的发动机设计过程中具有全新的技术潜力。为在全球进一步实现环保,需要对发动机进行技术优化,以此会导致发动机效率更高,功率密度不断提升,燃烧压力、温度和负荷的不断增加,同时整机质量持续减轻且具有更低的内部摩擦。但紧固件是如何辅助发动机行业发展的呢?请看下文。

与一个形状相同的10.9级螺栓相比,Kxtreme提供的概念使螺栓具有将预紧力增升45%的能力。这种能力可通过2种方式而实现。第一种是在需要较大预紧力的部位避免紧固件尺寸的持续扩大,或在使预紧力保持一致性时使螺栓逐步小型化。在第二种情形下,螺栓直径能减小一级,所以一个15.9 U级的M10螺栓能用于替代一个10.9级的M12螺栓。

Kamax公司正在开创全新方式来调整用于优化性能特征的超高强度紧固件特性。该公司还采用了一个被称为奥氏体回火(austempering)的热处理过程,其在螺栓制造过程中较为独特。随着钢基体相的奥氏体化,螺栓的微观结构被逐步转变为使用盐浴的贝氏体(bainitic)微观结构。采用该方法,螺栓可提供较好的延展性并具有超高强度。除了其极高的强度,特有的延展值与典型的10.9级和12.9级螺栓相当或者更高。

KXtreme概念螺栓包括从12.9U到17.9U强度等级和从M6到M20尺寸的所有长度、头部形状和拧紧力的类似产品。也可在进行热处理后实现螺纹滚牙处理,其与10.9级或者12.9级马氏体螺栓类似。

除了超高强度和较好的延展性,贝氏体微观结构(标明‘U’)对氢致应力腐蚀开裂(HISCC)也具有较好的抵抗性。这使得螺栓能在高腐蚀性的环境中使用,例如底盘应用件。对于HISCC的抗性在慢应变拉伸试验中得到证实。在试验中,一批零件被分为两部分,其中50%用于加载氢负荷,另外的50%在未加负荷的状态中进行试验。对两批零件的试验结果进行比较,对已加氢载零件与未加氢载零件的比例也进行了比较。其被称为HE-value。HE值为1表明其具有最高的HISCC敏感度,而HE值为0则说明其完全不敏感。

12.9U到15.9U级的KXtreme紧固件表明HE值小于0.4,其与10.9级紧固件相当。该特性允许零部件被应用到所有的汽车部件中。16.8U和17.8U级螺栓试验后的HE值高于10.9级但明显低于12.9级紧固件。因此这些紧固件仅为内燃机的后续使用预留。

非常重要的的发动机紧固件是缸盖螺栓、飞轮螺栓、主轴承盖螺栓和连杆螺栓。Kamax紧固件解决方案在行业内逐渐得以广为人知,且自2013年起,大量同系列产品已经成功在内燃机生产中得以应用。

与FEV集团合作的Kamax公司最近对优化的可能性进行了调查,并评估了使用KXtreme紧固件的设计潜力。在研究前和研究中持续的预紧力是所有连接处的基础假设。相关研究结果是通过对紧固件直径减小一个级别来进行部件优化。在研究中,在轻型发动机中应用的较小螺栓的初始假设原本仅有一个优势。每台发动机减轻了约0.8 kg的总质量,Kamax团队能证明其在发动机摩擦、热管理和密封功能上也具有优势。

对下述两个研究区域进行重点研究,其中第一项优化的重点是发动机缸体设计。通常缸套周围的布置空间有限且较为紧凑,这导致围绕缸套的冷却液流动截面小,从而妨碍了热传递。较小的螺栓直径允许水套底部具有更大的根部半径,从而产生一个更大的冷却影响区域并减小了部件压力。这意味着更多的热量能从缸孔传递到具有更低压力的冷却系统中,且通过较小的水泵对冷却系统进行优化,由此减小了发动机的功率损失。

第二项研究重点是飞轮紧固螺栓数量的减少。通常通过6个或8个紧固件将飞轮固定到曲轴法兰上。在本次调查中,初始的8个螺栓被替换为6个具有同样结构的Kxtreme螺栓。螺栓装配节圆直径(PCD)能移向曲轴的中心线,且仍然保持同样的螺栓间距(为了刀具后角),由此可使在径向唇形密封的密封表面上具有低质量、低惯性和低摩擦特点的曲轴法兰面的外部直径相应减小。通常而言,KXtreme在发动机设计和开发过程中可提供更大的自由度。对具有超高抗拉强度紧固件的螺纹旋合需求进行确认以承担较高的预紧力。例如连杆材料的钢材,螺纹旋合通常较为充分,但对于缸盖螺栓而言,则需要增加约1×D的旋合长度。

Kamax完成了第二项调查,与EDAG公司合作,采用与发动机优化研究类似的方式,优化且重新设计了一个底盘部件。基于对转向关节的试验,研究发现每个转向关节能为系统节省约675 g的悬载质量。Kxhead采用这类特殊设计的螺栓头部,能进一步减小螺栓质量,同时结合内六角和外六角紧固方式,与根据DIN 1665标准的标准六角螺栓相比,能减小超20%的螺栓头部质量。

Kamax有很多年用于量产发动机和汽车的KXtreme紧固件的生产经验。具有1 700 MPa强度的发动机内部应用螺栓和1 500 MPa强度的发动机外部应用螺栓都可得以应用。对于氢脆腐蚀开裂的敏感性也比10.9级紧固件更好。

作者:ETi
整理:王少辉
编辑:伍赛特