CN101655402B - 一种测试发动机连杆螺栓预紧力的方法及其专用工具 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种测试发动机连杆螺栓预紧力的方法和专用工具，所述方法包括扭矩测试和压力测试两个步骤，其是采用在连杆盖两侧分型面处贴应变片，测量连杆盖的应变和预紧力，进而得到连杆螺栓的预紧力。专用工具包括传力部分和支撑部分，其是在使用压力法测试时，将外力传导到连杆盖上，采用本发明方法，几乎未对连杆做任何改动，因此能够测量连杆螺栓实际受力状态，测试准确，操作简单。

Description

一种测试发动机连杆螺栓预紧力的方法及其专用工具

技术领域

本发明涉及一种测试发动机连杆螺栓预紧力的方法，以及在该方法中用到的专用工具。

背景技术

发动机连杆螺栓预紧力是发动机设计制造中必须严格控制的参数。发动机装配时，按照设计要求和装配规范的力矩拧紧连杆螺栓后，一般情况下连杆螺栓预紧力可以达到静强度设计要求。由于在实际装配过程中，拧紧力矩不够、摩擦副之间摩擦系数的变化等各种因素致使连杆螺栓预紧力不足，造成连杆螺栓松动，严重时甚至会破坏正在工作的发动机。所以非常有必要测量发动机连杆螺栓的预紧力；提前发现连杆螺栓在拧紧后预紧力是否达标，减少发动机异常损坏的数量。

目前对螺栓进行拉压试验时，需要在专业的试验机上进行，如国产SDM*A系列电液伺服动静试验机以及美国MTS液压作动器等。这些采用直接测量连杆螺栓预紧力的试验设备虽然设计精密，但是费用高昂。

连杆组由连杆、连杆螺栓和连杆轴瓦组成，其中连杆又由连杆小头、杆身、连杆大头三部分组成。连杆大头多采用剖开式，被分开的部分称为连杆盖，根据剖开形式分为直切口连杆和斜切口连杆两种，本发明主要针对直切口连杆。

螺栓预紧力的测试，通常可以在螺栓杆身光杆部位贴应变片方式进行直接测量螺栓的预紧力。由于连杆组本身的结构特点：连杆螺栓光杆部位与连杆杆身为过盈配合，所以螺栓本身受到一定压力，在连杆螺栓光杆部位贴应变，对机加、应变片要求很高，另外测量结果都会受到一定的影响；如果在连杆螺栓螺纹部位贴上应变片，将破坏螺纹，影响摩擦副的正常工作。因此，直接测量连杆螺栓预紧力是比较困难的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种测试发动机连杆螺栓预紧力的方法，这种方法采用间接方式测量连杆螺栓预紧力，可以降低试验设备成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

由于连杆螺栓有预紧，所以在装配状态下连杆螺栓有预拉伸，连杆大头的被紧固部分，包括轴瓦，有预压缩。它们的预紧力都相等，但作用方向相反，所以是互相平衡的。根据这个原理，本发明采用在连杆盖两侧分型面处贴应变片，测量连杆盖的应变和预紧力，进而得到连杆螺栓的预紧力。本发明是测量连杆螺栓预紧力，即连杆螺栓轴力，是指在已知的拧紧力矩下测试连杆螺栓预紧力的大小。扭矩测得的一个数据仅为一个参数，须同时得到压力测得的另一个数据作为第二个参数，只有两个参数同时具备的情况下才能达到测量连杆螺栓预紧力的目的。

由此，本发明提出的测试发动机连杆螺栓预紧力的方法包括扭矩测试和压力测试两个步骤，其中，

第一步：扭矩测试具体包括：

1.1在连杆盖外侧面粘贴应变片，进气侧与排气侧各有应变片一个；

1.2：应变片与外接应变测量设备相连；

1.3：将连杆水平放置在支撑块上，连杆小头用螺栓与支撑块加以固定；

1.4：使用扭力扳手按照装配工艺要求拧紧连杆螺栓螺母，通过应变测量设备读取连杆盖在规定拧紧力矩作用下的应变和ε_C；

第二步：扭矩测试具体包括：

2.1：拆卸上一步扭矩测试中使用的连杆。

2.2：将拆卸的连杆与专用工具连接。专用工具包括传力部分和支撑部分，连接后，需要保证传力部分中的传力杆、连杆的连杆螺栓、支撑部分中的支撑杆三者的中心线重合。

2.3：对支撑部分的支撑板施加一个垂直的外压力。

2.4：计算总的应变和。

2.5：逐渐增大外压力，使得连杆盖的应变和与扭矩法测量的应变和相等。则连杆盖所受的外压力就是连杆螺栓在规定的装配工艺所要求的拧紧力矩作用下的预紧力和。

本发明第二步骤压力测试中需要使用一种专门工具。压力法测量应变时，连杆大头盖的应变值的大小与所受垂直力的大小密切相关，因此对系统垂直度要求较高。使用压力法测试时，要求所施加的外力必须能够垂直加载到连杆盖的受力面上，即连杆螺栓的螺母与连杆盖的接触面。由于连杆盖是弧形结构，必须制作特定的工具将外力传导到连杆盖上。

该专用工具包括传力部分和支撑部分，其中，

所述传力部分由定位板与传力杆组成，定位板上有两个通孔，两个通孔之间中心线的距离与两个连杆螺栓的轴线距离相同，传力杆过盈装配在定位板的通孔中，下端高出定位板，传力杆的上端呈套筒状，容纳连杆螺栓的下端，并且套筒壁厚与连杆螺母的壁厚相同，与螺母配合；

所述支撑部分由支撑板和支撑杆组成，支撑板上有两个孔，其中心线距离与两个连杆螺栓的轴线距离相同，两个支撑杆上端通过两个孔与支撑板固定连接，下端与连杆盖上的连杆螺栓顶面接触。

采用本发明的优点是：

(1)测试准确。本方法几乎未对连杆做任何改动，因此能够测量连杆螺栓实际受力状态。

(2)操作简单。在连杆盖两侧分型面上贴应变片，难度低，易操作，引线容易。

附图说明

图1是本发明的扭矩测试系统的结构示意图。

图2是本发明的压力测试系统的结构示意图。

图3是本发明的压力测试系统的局部剖面示意图。

图4是本发明的专用工具的传力部分结构示意图。

具体实施方式

采用本发明的方法对发动机连杆螺栓预紧力进行测试包括两个测试过程：第一个过程是扭矩测试；第二个过程是压力测试。

第一个步骤：扭矩测试，如图1所示，过程包括：

第1步：在连杆盖外侧面粘贴应变片，进气侧与排气侧各有一个应变片7。

第2步：应变片7与外接应变测量设备相连。

第3步：将连杆水平放置在支撑块上3，连杆小头2用螺栓与支撑块加以固定。

第4步：使用扭力扳手按照装配工艺要求拧紧连杆螺栓螺母1，通过应变测量设备读取连杆盖在规定拧紧力矩作用下的应变和ε_C。

ε_C＝ε_C1+ε_C2单位：微应变。

其中ε_C1是连杆盖进气侧的应变，ε_C2是排气侧的应变。

其中，在第一步中，应变片尽可能靠近分型面，这样测得的应变数值更加准确。

为了测试准确，在测试过程中，连杆水平放置，使用螺栓通过连杆小头将连杆杆身固定在某一平面上，连杆大头盖部分悬空，以便拧紧连杆螺栓。

第二步骤：压力测试，参见图2和图3：

第1步：拆卸第一步骤扭矩测试中使用的连杆。

第2步：将拆卸的连杆与专用工具连接：将传力部分4的传力杆11的顶端14(即有套筒结构一端)与连杆盖8相连，底端15顶在一固定端面上。将支撑部分的支撑杆13与连杆螺栓12的上端相接触，保证传力部分的传力杆11、连杆螺栓12、支撑杆13三者的中心线重合。

第3步：对支撑部分的支撑板6施加一个垂直的外压力P_X。

第4步：计算总的应变和ε_C′。ε_C′＝ε_C3+ε_C4，其中ε_C3是进气侧的应变，ε_C4是排气侧的应变；

第5步：逐渐增大外压力P_X至P_L，使得连杆盖的应变和ε_C′与扭矩法测量的应变和ε_C相等。此时，连杆盖所受的外压力P_L就是连杆螺栓在规定的装配工艺所要求的拧紧力矩M作用下的预紧力和F′。

压力法测试的原理是：由于金属材料在静载荷作用下，如拉伸、压缩，其变形处于弹性变形阶段时有一个最重要的宏观特征是，应力σ与应变ε成正比关系，即符合胡克定律：σ＝E·ε，其中E弹性模量，是材料的一个重要常数。在受力面积一定情况下，即有外压力P_X与应变ε成正比关系。必然会有一点，在某一外压力P_X＝P_L时，使得压力法测得应变和与扭矩法测得的应变和相等，即

ε_C′＝ε_C

那么此时连杆盖该所受的外压力P_L就是连杆螺栓12在规定的装配工艺所要求的拧紧力矩M作用下的预紧力和F′，即

F′＝P_L

由于外压力P_L作用在两个连杆螺栓12上，那么单个连杆螺栓12在拧紧力矩M作用下的拧紧力F为

$F=\frac{1}{2}{F}^{\′}=\frac{1}{2}{P}_L.$

如图2、图3和图4所示，本方式使用的专用工具包括传力部分和支撑部分。其中，传力部分由一块定位板9与两个传力杆11组成。定位板9上有两个通孔10。通过定位板9上的两个通孔10与传力杆11过盈配合相连。两个通孔10之间中心线的距离与两个连杆螺栓12轴线的距离相同，从而保证两个传力杆11轴线的距离与两个连杆螺栓12轴线的距离一致，要求两者中心线距离偏差在0.4mm以内。传力杆11的底端15与定位板11上的通孔10进行过盈配合，并高出定位板4～6mm，保证外力只作用在传力杆11上。传力杆的下端15顶住一个支撑平面上，传力杆的上端14作用在连杆盖上，从而保证所施加外力完全作用在连杆盖上。由于连杆螺栓12高于连杆盖，所以传力杆的上端14要做成套筒状，使连杆螺栓12的高出部分落于其中。另外，传力杆顶端的壁厚应与连杆螺母1的壁厚相同，保证受力面积与螺母一致。

支撑部分包括支撑板6和支撑杆13，支撑板6上有两个孔，两个支撑杆13通过两个孔与支撑板6固定连接。两个孔之间中心线的距离与两个连杆螺栓12轴线的距离相同，从而保证两个支撑杆13轴线的距离与两个连杆螺栓12轴线的距离一致，要求两者中心线距离偏差在0.4mm以内。支撑杆13的上端与孔过盈配合，下端压在连杆盖上的连杆螺栓顶面。

采用本专用工具，可以将外力通过支撑杆传到连杆盖上，同时测量连杆螺栓以及连杆盖的预紧力和应力。

Claims (4)

1.一种测试发动机连杆螺栓预紧力的方法，包括扭矩测试和压力测试两个步骤，其中，

第一步：扭矩测试具体包括：

(1)在连杆盖外侧面粘贴应变片，进气侧与排气侧各有一个应变片；

(2)将应变片与外接应变测量设备相连；

(3)将连杆水平放置在支撑块上，连杆小头用螺栓与支撑块加以固定；

(4)使用扭力扳手按照装配工艺要求拧紧连杆的螺栓螺母，通过应变测量设备读取连杆盖在规定拧紧力矩作用下的应变和ε_C；

第二步：压力测试具体包括：

(1)拆卸下扭矩测试中使用的连杆；

(2)将拆卸的连杆与专用工具连接，专用工具包括传力部分和支撑部分，所述传力部分由定位板与传力杆组成，定位板上有两个通孔，两个通孔之间中心线的距离与两个连杆螺栓的轴线距离相同，传力杆过盈装配在定位板的通孔中，下端高出定位板，传力杆的上端呈套筒状，容纳连杆螺栓的下端，并且套筒壁厚与连杆螺母的壁厚相同，传力杆的上端压在连杆螺母上；所述支撑部分由支撑板和支撑杆组成，支撑板上有两个孔，其中心线距离与两个连杆螺栓的轴线距离相同，两个支撑杆上端通过两个孔与支撑板固定连接，下端与连杆盖上的连杆螺栓上端面接触；

所述传力部分和支撑部分连接后，需要保证传力部分中的传力杆与连杆的螺栓以及支撑部分中的支撑杆三者的中心线重合；

(3)对支撑部分的支撑板施加一个垂直的外压力P_X； 

(4)计算总的应变和ε′_C：

ε′_C＝ε_C3+ε_C4，其中ε_C3是进气侧的应变，ε_C4是排气侧的应变；

(5)逐渐增大外压力P_X至P_L，使得连杆盖的应变和ε′_C与扭矩法测量的应变和ε_C相等，此时，连杆盖所受的外压力P_L就是连杆螺栓在规定的装配工艺所要求的拧紧力矩M作用下的预紧力和F′，那么单个连杆螺栓在拧紧力矩M作用下的拧紧力F为：

。

2.按照权利要求1所述的测试发动机连杆螺栓预紧力的方法，其特征在于，在第一步的(1)中，应变片尽可能靠近分型面。

3.按照权利要求1或2所述的测试发动机连杆螺栓预紧力的方法，其特征在于，在扭矩测试过程中，连杆水平放置，使用螺栓通过连杆小头将连杆杆身固定在某一平面上，连杆大头盖部分悬空。

4.一种用于权利要求1的测试发动机连杆螺栓预紧力方法中的专用工具，其特征在于：包括传力部分和支撑部分，其中，

所述传力部分由定位板与传力杆组成，定位板上有两个通孔，两个通孔之间中心线的距离与两个连杆螺栓的轴线距离相同，传力杆过盈装配在定位板的通孔中，下端高出定位板，传力杆的上端呈套筒状，容纳连杆螺栓的下端，并且套筒壁厚与连杆螺母的壁厚相同，传力杆的上端压在连杆螺母上；

所述支撑部分由支撑板和支撑杆组成，支撑板上有两个孔，其中心线距离与两个连杆螺栓的轴线距离相同，两个支撑杆上端通过两个孔与支撑板固定连接，下端与连杆盖上的连杆螺栓上端面接触。 

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