某汽油機(jī)飛輪齒圈斷裂分析

羅俊

安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 安徽省合肥市 230601

1 引言

某2.0L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)所搭載車(chē)輛在行駛20公里后發(fā)現(xiàn)變速箱異響，拆下發(fā)動(dòng)機(jī)后，發(fā)現(xiàn)飛輪齒圈從飛輪組件上脫落斷裂，如下圖所示，經(jīng)檢查，斷裂部位非飛輪齒圈焊接點(diǎn)處。

飛輪在發(fā)動(dòng)機(jī)上的作用主在有三點(diǎn)：（1）與離合器接合，傳動(dòng)動(dòng)力；（2）將活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成曲軸和飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并將能量進(jìn)行儲(chǔ)存；（3）集成飛輪齒圈，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻，起動(dòng)機(jī)小齒輪與飛輪齒圈嚙合，小齒輪驅(qū)動(dòng)飛輪齒圈旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并配合發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火噴油時(shí)刻，從而完成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始正常工作。本車(chē)輛故障中，飛輪齒圈的損壞，直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，車(chē)輛不能行使。目前發(fā)動(dòng)機(jī)齒圈與飛輪接合的方式主要為過(guò)盈配合或焊接形式。

2 飛輪齒圈載荷分析

2.0L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪為單質(zhì)量飛輪，飛輪齒圈通過(guò)加熱后，套上飛輪本體上，實(shí)現(xiàn)過(guò)盈配合。飛輪齒圈受力主要為兩種形式：一為起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)機(jī)小齒輪與飛輪齒圈嚙合，飛輪齒圈受到起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)沖擊力；二是飛輪齒圈與飛輪本體的過(guò)盈配合，導(dǎo)致因飛輪齒圈與飛輪本體過(guò)盈量的存在而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力大小主要受過(guò)盈量大小變化而變化。過(guò)盈配合的內(nèi)應(yīng)力飛遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輪齒圈受起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)沖擊力，并且內(nèi)應(yīng)力會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保留在飛輪內(nèi)部，并保證飛輪齒圈與飛輪本體不會(huì)產(chǎn)生滑移。因此，對(duì)于與起動(dòng)機(jī)小齒輪接觸的飛輪齒圈齒部，需要有足夠的剛度及硬度，保證在起動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)沖擊載荷下，飛輪齒圈齒部不會(huì)斷裂；同時(shí)要求飛輪齒圈與飛輪本體接觸的內(nèi)徑部位有足夠的強(qiáng)度，能夠吸引并承受過(guò)盈配合的內(nèi)應(yīng)力，保證飛輪齒圈不會(huì)產(chǎn)生裂紋斷裂。

3 故障分析及方案驗(yàn)證

鑒于飛輪齒圈斷裂的故障形式以及飛輪齒圈的受力形式，分別從飛輪齒圈的嚙合計(jì)算、飛輪齒圈的機(jī)械性能及飛輪齒圈的一般尺寸檢查等方面進(jìn)行分析檢查。

3.1 飛輪齒圈的嚙合計(jì)算

飛輪齒圈與起動(dòng)機(jī)小齒輪嚙合不良，易導(dǎo)致嚙合過(guò)過(guò)程中出現(xiàn)異響，甚至嚙合時(shí)的力矩過(guò)大，而飛輪齒圈由于結(jié)構(gòu)原因本身厚度較小，且同時(shí)還承受著飛輪齒圈與飛輪過(guò)盈配的內(nèi)應(yīng)力，在外部嚙合應(yīng)力放大時(shí)，與過(guò)盈的內(nèi)應(yīng)力相互作用，最終會(huì)導(dǎo)致飛輪齒圈斷裂。

飛輪齒圈與起動(dòng)機(jī)的小齒輪嚙合為常規(guī)的齒輪嚙合機(jī)構(gòu)，評(píng)價(jià)飛輪齒圈與起動(dòng)機(jī)小齒輪嚙合好壞主從三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：重合度ε（又稱(chēng)嚙合率）、頂隙。其中齒輪嚙合重合度ε范圍為0.9~1.2，頂隙最小為0.8mm.

飛輪齒圈與起動(dòng)機(jī)小齒輪重合度計(jì)算公式如下：

式中：Z1為小齒輪齒數(shù)；

Z2為大齒輪齒數(shù)；

αa1為小齒輪齒頂圓壓力角；

αa2為大齒輪齒頂圓壓力角；

α'為嚙合角。

其中，

式中：αa為齒頂圓壓力角；

α為壓力角；

rb為基圓半徑；

A為兩齒圈中心距；

ra為齒頂圓半徑；

m為模數(shù)；

Z為齒數(shù)；

某2.0L汽油機(jī)中，起動(dòng)機(jī)小齒輪與飛輪齒圈參數(shù)如下：

根據(jù)以上參數(shù)，代入以上公式，可以算出重合度ε為1.0414，滿(mǎn)足0.9~1.2的范圍要求；起動(dòng)機(jī)小齒輪齒根與飛輪齒圈齒頂間隙為1.865mm，起動(dòng)機(jī)小齒圈齒頂與飛輪齒圈齒根間隙為0.8mm，頂隙值均大于0.8mm要求。因此，起動(dòng)機(jī)與飛輪齒圈嚙合在設(shè)計(jì)計(jì)算上滿(mǎn)足要求。

飛輪齒圈與飛輪本體采用熱壓過(guò)盈配合，其中飛輪配合面外徑為Φ274.4（0/-0.052）mm，飛輪齒圈內(nèi)徑為Φ274（0/-0.2）mm，可以算出配合過(guò)盈量為0.348mm~0.6mm，為一般常規(guī)的飛輪的過(guò)盈配合。

3.2 飛輪齒圈性能檢測(cè)

此2.0L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪材料采用灰鐵HT250，飛輪齒圈材料采用常規(guī)的45鋼。對(duì)斷裂的飛輪齒圈進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

為保證飛輪齒圈的齒頂有足夠的硬度與起動(dòng)機(jī)小齒輪嚙合，飛輪齒圈齒頂需要進(jìn)行淬火處理，淬火后硬度為HRC（49~55）。對(duì)飛輪齒圈齒頂硬度進(jìn)行檢測(cè)，分別取三處不同位置，檢測(cè)結(jié)果如下圖所示，檢測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足要求。

同時(shí)，為進(jìn)一步保證淬火有效性，淬火層深度過(guò)飛輪齒圈齒根0.5mm~3mm。檢測(cè)飛輪齒圈淬火層深度，為0.92mm，滿(mǎn)足淬硬層深度要求。

3.3 尺寸分析

由于飛輪齒圈既承受著嚙合力，同時(shí)還承受著過(guò)盈配合的時(shí)內(nèi)應(yīng)力。因此，飛輪齒圈既需要滿(mǎn)足嚙合時(shí)的硬度要求，同時(shí)還要滿(mǎn)足過(guò)盈配合的強(qiáng)度要求。對(duì)于硬度要求，一般要求熱處理淬硬層的深度過(guò)齒根0.5mm~3mm。對(duì)飛輪齒圈淬硬層深度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下：

由圖可以看出，淬硬層深度均滿(mǎn)足要求。

為承受飛輪齒圈與飛輪過(guò)盈配合的內(nèi)應(yīng)力，飛輪齒根還需要滿(mǎn)足一定厚度要求。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，可以得出飛輪齒根厚度約為3.34mm，而齒頂?shù)拇阌矊由疃燃s為2.2mm，因此承受飛輪齒圈過(guò)盈配合內(nèi)應(yīng)力的厚度約為1.14mm。此厚度值已小遠(yuǎn)常規(guī)的厚度值。因此，判定飛輪齒圈斷裂為飛輪齒圈齒根厚度過(guò)小導(dǎo)致。

3.4 方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

為加大飛輪齒根厚度，將齒根圓直徑由Φ280.67mm加大到Φ282.67，將飛輪齒圈內(nèi)徑由Φ274（0/-0.2）mm優(yōu)化為Φ273（0/-0.2）mm，飛輪配合面外徑由Φ274.4（0/-0.052）mm優(yōu)化為Φ273.4（0/-0.052）mm。從而可以算出，重合度不變，起動(dòng)機(jī)小齒輪齒根與飛輪齒圈齒頂間隙為0.865mm，起動(dòng)機(jī)小齒圈齒頂與飛輪齒圈齒根間隙為0.8mm，頂隙值仍滿(mǎn)足大于0.8mm要求。同時(shí)，承受飛輪齒圈過(guò)盈配合內(nèi)應(yīng)力的厚度增加到2.64mm，基本滿(mǎn)足要求。

對(duì)以上方案進(jìn)行飛輪齒圈拉應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)表面抗拉應(yīng)力提升約為40%，同時(shí)進(jìn)行20萬(wàn)次的發(fā)動(dòng)機(jī)起?？煽啃栽囼?yàn)，飛輪齒圈沒(méi)有發(fā)生斷裂情況。

4 結(jié)語(yǔ)

飛輪齒圈設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了需要滿(mǎn)足一般的嚙合要求以及材料性能要求。往往在設(shè)計(jì)過(guò)程還需要同時(shí)考慮飛輪齒圈的受力情況，進(jìn)而對(duì)飛輪齒圈的相關(guān)尺寸進(jìn)行全面分析及驗(yàn)證。

表1 起動(dòng)機(jī)小齒輪與飛輪齒圈參數(shù)