导读
作者：李标，潘兰涛
( 上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007)
来源：《电气与自动化》2021年6月
摘要：针对某型号发动机曲轴皮带轮螺栓连接失效问题，从螺栓断口分析其失效机理，并分
别对曲轴皮带轮螺栓轴力及监控方式进行理论计算和验证，设计螺栓松动实验—横向振动实
验，以验证螺栓在不同夹紧力下松动( 轴力衰减) 情况，寻求其衰减规律; 进行实物装配实验，验
证理论计算结果及装配方法，以此优化曲轴皮带轮螺栓拧紧工艺，保证其连接不再发生松动疲
劳失效，为后续工艺协同发动机设计提供依据。
0 引言
曲轴皮带轮螺栓是发动机五大关键螺栓之一，是曲
轴、皮带轮的关键连接，承载着发动机动力传递。在实际
工况下，曲轴皮带轮螺栓受力情况复杂，从而在其使用过
程中常出现由于结构设计不合理或由于拧紧装配方式不
正确而导致连接失效断裂等问题，严重时可以导致发动机
发生故障甚至报废。因此，开展发动机曲轴皮带轮螺栓拧
紧工艺研究对发动机使用的稳定性和可靠性至关重要。
由于发动机工况比较复杂，所以发动机大部分螺栓拧
紧工艺都采用了转矩转角法以此获取更稳定的夹紧力。对于转矩转角法，有不少学者作了多方面的研究。汤春球
等［1］通过路试验证了转矩转角法的优势，结果显示转矩
转角法得到的预紧力较高，且在路试过程中预紧力衰减较
少。聂晓东等［2］在星形拧紧工艺、分块拧紧工艺上作了
研究，也达到了较好的螺栓预紧效果。孙贵青等［3］ 以发
动机低压涡轮盘轴的关键连接为对象，将传统的转矩法和
先进的转角法相结合，监测调整螺母的转动角度，保证了
预紧力的准确控制和连接刚度的均匀一致。在发动机螺
栓所受复杂载荷方面，解慧、刘文光、惠烨、王传华等［4－7］
研究了螺栓松动受预紧力及外力载荷的影响规律。
在此基础上，本文以某型号发动机曲轴皮带轮螺栓失
效断裂作螺栓断口分析，对曲轴皮带轮螺栓轴力及监控方式进行理论计算和验证，并设定横向振动试验验证螺栓在
不同夹紧力下松动( 轴力衰减) 情况，寻求其衰减规律，同
时做实物装配试验，验证理论计算结果及装配方法，以此
优化曲轴皮带轮螺栓拧紧工艺。
1 曲轴皮带轮螺栓断裂分析
图 1 为螺栓断口电镜分析图; 图 2 为腐蚀后螺栓牙边
缘金相组织图; 表 1 为螺栓硬度检测数据。
由图 1 可知，曲轴皮带轮螺栓受异常外力局部撕裂形
成裂纹源，继而发生疲劳断裂。由图 2 可知，螺栓的螺牙
未发现脱碳，螺栓中心组织为回火索氏体，螺栓的金相组
织合格。由表 1 可知，螺栓硬度检测合格。由以上可判断螺
栓受到异常外力作用致使螺栓产生裂纹源，继而发生疲劳断
裂，故针对曲轴皮带轮螺栓松动故障作拧紧工艺分析。
2 螺栓轴力及拧紧转角理论计算
故障曲轴皮带轮螺栓拧紧工艺为扭力+转角，实际装
配工艺为 100 N·m+70°。基于此对螺栓轴力及拧紧转角
进行理论计算。
2．1 屈服点的轴力
式中: Ffy为夹紧力; σy 为屈服强度; As 为螺纹的应力截面
积; d0 为螺纹的公称应力截面积等效直径; p 为螺距; d2 为
螺纹中径; μs 为摩擦系数; α’为螺纹牙侧角。
将实测屈服强度结果: 1 150 ～ 1 178 MPa，摩擦系数实
测平均值 0．139，螺栓规格 M14×1．5－6 h 代入公式( 1) ，可
得到屈服点的轴力为 Ffy为 125 ～ 144 kN，符合≥110 kN 的
设计需求。
2．2 转角计算
其中: θfA为紧固转角; θfy 为屈服点紧固转角; θfu 为最大紧
固转角; Ffy为目标紧固轴力; Tfs为初始转矩; km 为平均转
矩系数; δb 为螺栓变形系数( 柔度) ; δc 为配件变形系数
( 柔度) ; p 为螺距; d 为公称直径。
已知 Ffy =110 kN，初始转矩 Tfs =100N·m，螺距 p=1．5。
1) 由摩擦系数 0．10～0．16 计算得知转矩系数为 0．174～0．268，km = 0．222。
2) 根据提供的螺栓连接方式，计算得
δb = 2．6×10－3 mm/N，δc = 1．5×10－4 mm/N。
根据式( 2) 计算得 θfA = 90°，即转矩+转角装配方法为
100 N·m+90°。 相应监 控 窗 口 为: 290 ～ 500 N · m ( 屈 服 强 度 按 照
1 100－1 200 MPa 计算) 。
3 螺栓松动实验验证
曲轴皮带轮螺栓连接为刚性连接，一般情况下，其静
态扭力及轴力衰减较小，但由于曲轴皮带轮螺栓工况复
杂，实际轴力衰减可能会较大，若拧紧工艺不合理会导致
连接失效断裂等问题，故设计螺栓横向振动实验( 横向振
动加速轴力衰减) ，验证螺栓在不同夹紧力下松动( 轴力
衰减) 情况，寻求其衰减规律以及实物装配实验，验证理
论计算结果及装配方法。图 4 及表 2 为实验过程曲轴皮
带轮螺栓装配示意图及相关参数名称。
3．1 横向振动实验
目的: 通过横向振动实验加速轴力衰减，验证螺栓在
不同夹紧力下松动( 轴力衰减) 情况，寻求其衰减规律。
方案: 按照标准《GB/T 10431—2008 紧固件横向振动
试验方法》分别在夹紧力 90 kN、110 kN、130 kN 下进行横
向振动试验，各取 10 件样品。
试验条件: 横向震动试验机，自由状态下振幅±1 mm，
频率 12．5 Hz，循环周期 3 000 次。
结果输出: 螺栓轴力衰减与振动周期的关系。
3．2 实物装配实验
目的: 验证理论计算结果及装配方法。
方案: 在实际对手件上进行拧紧试验，检测按理论计
算的装配方法拧紧后初始轴力是否符合计算要求。
试验条件: 轴力试验机，实物状态拧紧。
结果输出: 拧紧后的转矩、夹紧力、角度及相关曲线。
3．3 测试结果与分析
a) 横向振动实验结果及分析
1) 初始轴力 90 kN
振动周期: 100 次，12．5 次/s，即 100 /12．5 = 8 s，其他类
推。轴力衰减与振动周期关系如表 3－表 4 所示，轴力与
振动周期曲线如图 5 所示( 本刊黑白印刷，相关疑问咨询
作者) 。
2) 初始轴力
110 kN
轴力衰减与振动周期关系如表 5－表 6 所示，轴力与
振动周期曲线如图 6 所示。
3) 初始轴力 130 kN
轴力衰减与振动周期关系如表 7－表 8 所示，轴力与
振动周期曲线如图 7 所示。
根据以上横向振动实验数据可知:
1) 初始轴力与残余轴力呈正比关系;
2) 在受切向载荷情况下，无法完全避免松动，从目前
实验数据来看，没有准确得到衰减规律。
b) 实物装配实验结果及分析
图 8 为转矩－角度－轴力关系图，表 9－表 10 为实验数据。
由实验结果可知:
1) 按 100 N · m + 70° 拧 紧 后，螺栓轴力均值为
108．3 kN，不满足≥110 kN 的要求;
2) 按 100 N · m + 90° 拧 紧 后，螺栓轴力均值为
126．8 kN，满足≥110 kN 的要求。
根据横向振动实验，初始轴力与残余轴力呈正比关
系，在受切向载荷情况下，无法完全避免松动。从实验数
据可知，没有准确得到衰减规律。在此基础上，再根据实
物装配试验，得出转矩－轴力－转角的关系，曲轴皮带轮螺
栓最后拧紧工艺优化为转矩转角 100 N·m+90°。
4 结语
针对发动机曲轴皮带轮螺栓连接失效问题，从螺栓断
口分析其失效机理，并对拧紧工艺的曲轴皮带轮螺栓连接
优化分析。通过对曲轴皮带轮螺栓轴力及监控方式进行
理论计算和验证，设计了横向振动实验和实物装配实验。横向振动实验得出初始轴力与残余轴力呈正比关系，但无
法准确得到轴力衰减规律，进而从实物装配实验中寻求转
矩－轴力－转角的关系，以此优化最终的拧紧工艺，保证其
连接不再发生松动疲劳失效。后续将进一步增加螺栓涂胶设计，重新验证横向振动实验，对比衰减率，以此获取更
准确优化的拧紧工艺和螺栓设计，为后续工艺协同发动机
设计提供参考依据。
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共同探讨螺栓预紧力测量的相关技术和市场信息，共同推进此产业的发展，实现共赢。北京艾法斯特公司（www.ifast-sensor.com）专业从事超声、视觉螺栓预紧力测量技术，产品主要有螺栓预紧力测量仪系列产品、螺栓预紧力长期监测产品、智能紧固件、以螺栓轴力控制的智能紧固工具。
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