灰鑄鐵飛輪疲勞失效分析

候亞林　包澤翊　孫茂軍　陳常云

摘 要：大馬力飛輪是商用車一款大馬力發(fā)動機的零部件，其搭載大馬力發(fā)動機為商用車提供動力總成。飛輪在工作期間，因經(jīng)常與離合器摩擦，售后市場出現(xiàn)離合器打滑，起步困難、抖動較大等整車問題，拆解后發(fā)現(xiàn)，飛輪表面出現(xiàn)磨損不平、表面微裂紋為主要的失效形態(tài)的現(xiàn)象。

關鍵詞：灰鑄鐵飛輪;疲勞失效;失效分析;飛輪模擬整車試驗

中圖分類號：U464? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）03-139-03

前言

飛輪是一個轉(zhuǎn)動慣量很大的盤形零件，作為啟動馬達的被動件，是離合器的主要動件。飛輪的摩擦面在汽車行進時，是和離合器的離合器片相接觸而將動力傳至變速箱。飛輪的作用如同一個能量存儲器，由于發(fā)動機各個缸的做功是不連續(xù)的，所以發(fā)動機轉(zhuǎn)速也是變化的。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速增高時，飛輪的動能增加，把能量貯蓄起來;當發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低時，飛輪動能減少，把能量釋放出來[1]。飛輪可以用來減少發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程的速度波動，從而使發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)并減小振動和噪聲。飛輪在工作期間，由于飛輪在與離合器分離和結合的瞬間，與飛輪平面存在轉(zhuǎn)速差，從而產(chǎn)生干滑動摩擦，使飛輪平面產(chǎn)生磨損。從目前售后返回失效件的統(tǒng)計來看，見下圖1，失效形態(tài)多為飛輪表面不均勻磨損。本文將從光譜化學成分檢測、硬度檢測、金相檢測、飛輪模擬整車試驗等方面對飛輪售后疲勞失效進行分析。

1 飛輪磨損失效分析

1.1 外觀檢查

對失效件進行外觀檢查，飛輪表面存在不均勻磨損、龜裂紋、部分飛輪表面存在溝槽現(xiàn)象，見圖2：

1.2 化學成分檢查

在失效的飛輪上取樣，使用碳硫分析儀、分光光度計、光譜儀對失效件飛輪樣品化學成分進行檢測，結果見表1：

依據(jù)客戶下發(fā)的商用車發(fā)動機用飛輪鑄造技術條件中的化學成分參考標準，從檢測結果來看，化成成分檢測符合標準要求。

1.3 硬度檢測

在飛輪本體上取樣，試樣尺寸參見標準《GB/T 9439-2010? 灰鑄鐵件》8.3項[2]。硬度測量部位為飛輪摩擦面一側。按照《GB/T 231.1-2008? 金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》[3]的要求在測量硬度之前將檢測面磨去1.5mm左右，主要是保證去除表面氧化和硬化層，試樣表面粗糙度保證小于Ra1.6。硬度檢查時，采用Ф5的壓頭7.355kN的試驗力測試布氏硬度。圖紙要求硬度HBW210-240，實測HBW227、HBW225，符合圖紙要求。

1.4 金相組織檢測

HT250的基體組織是珠光體+鐵素體，技術標準要求珠光體含量≥95%，A型石墨，石墨等級2～6級。對未磨損位置飛輪取樣檢測金相組織，檢測依據(jù)《GB/T 7216-2009灰鑄鐵金相檢驗》[4]，試樣拋光后檢測石墨分布狀態(tài)，石墨形態(tài)A型為主，石墨長度等級4級，經(jīng)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后檢測珠光體含量，基體組織為100%珠光體，金相組織符合要求。

2 飛輪模擬整車試驗

為了查找飛輪失效的原因，對飛輪進行模擬整車工況試驗。

第一輪試驗依據(jù)整車滿載（55T）條件開展試驗，試驗參數(shù)見下：

試驗臺轉(zhuǎn)速Speed=1200rpm;

能量Energy=124KJ;

慣性Inertia= 15.68 kg·m?;

溫度Temperature=300℃;

試驗循環(huán)間隔：45s;

滑摩時間：0.6s。

試驗時在飛輪摩擦面背面設置6個溫度傳感器，分布在φ252、φ420的兩個圓周上，傳感器的分布呈120°均布，離合器從動盤表面設置2個溫度傳感器，傳感器的分布呈180°對稱分布在φ414的圓周上，加載后進行滿載連續(xù)摩擦試驗。當傳感器溫度到達300℃時停止試驗，此時試驗循環(huán)次數(shù)為5000次，測量飛輪及離合器從動盤的磨損量，此時飛輪磨損量0.292mm，從動盤磨損量0.536mm。

為模擬飛輪表面裂紋現(xiàn)象，在完成飛輪與離合器從動盤磨損量檢測后繼續(xù)試驗，試驗循環(huán)至5800次時，離合器從動盤破損，試驗停止，此時飛輪表面未出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

第一輪試驗中飛輪表面未出現(xiàn)裂紋，為進一步分析裂紋產(chǎn)生原因，開展第二輪模擬整車試驗，第二輪試驗按超載（80T）條件開展試驗，試驗參數(shù)見下：

試驗臺轉(zhuǎn)速Speed=1200rpm;

能量Energy=190KJ;

慣性Inertia= 24.0 kg·m?;

溫度Temperature=400℃;

試驗循環(huán)間隔：35 s;

滑摩時間：2s。

與第一次試驗不同，第二輪采用反復升溫方式進行試驗，當傳感器溫度達到400℃時停止試驗，此時飛輪摩擦面表面溫度在650℃-800℃之間，試驗進行到第三次時飛輪表面出現(xiàn)裂紋，試驗循環(huán)次數(shù)與溫度變化見圖3，飛輪表面熱龜裂狀態(tài)見圖4。

試驗表明，在試驗條件下，離合器連續(xù)接通300次摩擦面溫度才升至800°C左右，然而車輛在一般使用條件下，離合器不會如此頻繁使用。

3 結論

通過以上磨損失效分析及飛輪模擬整車試驗，飛輪的材質(zhì)符合圖紙要求，飛輪結構設計、產(chǎn)品性能不是失效的主因。

3.1 飛輪磨損

（1）導致飛輪磨損的主要異常熱源來自從動盤工作時與飛輪的摩擦及非正常震動;

（2）飛輪表面摩擦磨損屬于正?，F(xiàn)象，允許范圍內(nèi)出現(xiàn)的飛輪表面磨損，或磨損后動平衡性能良好，則不會影響飛輪的正常使用;

（3）飛輪表面的異常磨損一般是由于非正當駕駛操作導致，如離合器無自由行程，或離合器壓盤壓力不足，使離合器與飛輪經(jīng)常處于半離合狀態(tài)，從而加劇了飛輪平面的磨損。當離合器摩擦片磨損到極限后，露出的鉚釘頭會將飛輪表面刮出溝槽，損傷飛輪平面，導致表面異常磨損，失效形態(tài)見圖2c。

3.2 飛輪表面裂紋

（1）飛輪表面龜裂是典型的摩擦副特有的“龜裂”，飛輪表面小的龜裂不影響產(chǎn)品使用;

（2）從飛輪與從動盤離合器功能分析以及第一輪試驗數(shù)據(jù)看，飛輪與從動盤離合器之間主要功能是實現(xiàn)力矩的傳

遞，不是“摩擦副”，正常使用情況不會出現(xiàn)“龜裂”現(xiàn)象。從實際失效件與第二輪數(shù)據(jù)看，當飛輪與從動盤離合器之間在非正常工作時，如反復頻繁高速摩擦、冷熱驟變，導致產(chǎn)生了異常摩擦。當工作中存在頻繁高速摩擦，必然會產(chǎn)生“龜裂”現(xiàn)象。

為減少飛輪表面磨損及裂紋，可以考慮改善飛輪材質(zhì)，如提高硬度、添加合金元素[5]，同時也需要避免整車超速、超載及非正常工作的現(xiàn)象。

參考文獻

[1] 詹宇平.柴油機上飛輪的作用[J].農(nóng)機能源，2006（12）.

[2]《GB/T 9439-1988 灰鑄鐵件》[M].1版.北京：中國標準出版社，2010.

[3]《GB/T 231.1-2008金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》[M].1版.北京：中國標準出版社，2010.

[4] 《GB/T 7216-2009 灰鑄鐵金相檢驗》[M].1版.北京：中國標準出版社，2010.

[5] 張永振，鑄鐵的干滑動摩擦磨損[J].現(xiàn)代鑄鐵，2000（2）.