大功率發(fā)動機(jī)飛輪疲勞開裂研究

費(fèi)運(yùn)嘉

摘要：發(fā)動機(jī)飛輪的主要功用是用來貯存作功行程的能量，用于克服進(jìn)氣、壓縮、排氣行程的阻力和其它阻力，使曲軸能均勻地旋轉(zhuǎn)。飛輪在整個(gè)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，如果飛輪發(fā)生開裂的失效，引起發(fā)動機(jī)致命失效，并且飛輪的嚴(yán)重開裂失效可能會引發(fā)安全事故。我們針對大功率發(fā)動機(jī)的飛輪開裂的問題進(jìn)行了全面的開裂機(jī)理分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了整改措施，很好的解決了飛輪開裂的問題。

Abstract： The major function of the engine flywheel is used to store the energy of the power stroke， is used to overcome the resistance of the air intake， compression， exhaust stroke and other resistance， enables the crankshaft to rotate equably .Flywheel plays an important role in the whole engine system， if the flywheel cracking failure ，will cause engine fatal failure， and the flywheel severe cracking failure may cause safety accidents . In view of the high power engine flywheel cracking problem ， we has carried on the comprehensive analysis of the cracking mechanism， and corrective measures are put forward according to the results of the analysis， good solve the problem of flywheel cracking.

關(guān)鍵詞：飛輪;應(yīng)力集中;開裂

Key words： flywheel;stress concentration;cracking

中圖分類號：TJ810.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0141-02

0? 引言

發(fā)動機(jī)飛輪的主要功用是用來貯存作功行程的能量，用于克服進(jìn)氣、壓縮、排氣行程的阻力和其它阻力，使曲軸能均勻地旋轉(zhuǎn)。飛輪外緣壓有的齒圈與起動電機(jī)的驅(qū)動齒輪嚙合，供起動發(fā)動機(jī)用;汽車離合器也裝在飛輪上，利用飛輪后端面作為驅(qū)動件的摩擦面，用來對外傳遞動力。綜上，飛輪在整個(gè)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，如果飛輪發(fā)生開裂的失效，引起發(fā)動機(jī)致命失效，并且飛輪的嚴(yán)重開裂失效可能會引發(fā)安全事故。我們針對大功率發(fā)動機(jī)的飛輪開裂的問題進(jìn)行了全面的開裂機(jī)理分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了整改措施，很好的解決了飛輪開裂的問題。

1? 問題描述

在公司最新研發(fā)的發(fā)動機(jī)項(xiàng)目中，第一批A樣機(jī)的飛輪、飛輪螺栓及曲軸齒輪均為國內(nèi)知名廠家提供，在進(jìn)行首輪耐久試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)飛輪螺栓與飛輪壓緊面的周圍區(qū)域以及飛輪與曲軸齒輪接合面周圍區(qū)域均發(fā)生開裂現(xiàn)象，具體開裂位置見圖1及圖2標(biāo)識處。

2? 問題原因分析

首先我們對飛輪本體的材料性能及硬度進(jìn)行檢驗(yàn)。該飛輪選用行業(yè)內(nèi)通用的灰鐵250材料。對失效零部件解剖取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果（圖3）顯示石墨等級為A級，長度為4級，珠光體成分99.14%，符合灰鐵250的要求。

對失效飛輪取樣進(jìn)行硬度和抗拉強(qiáng)度的檢測（圖4），顯示布氏硬度185HB，抗拉強(qiáng)度301.1MPa，均符合灰鐵250的性能要求。

排除了飛輪本體材料的質(zhì)量問題后，我們繼而對裂紋的分布及深度進(jìn)行分析，以判斷裂紋產(chǎn)生的原因。用鑄件缺陷滲透顯影劑將整個(gè)螺栓安裝面外側(cè)與凸臺結(jié)合處著色檢測裂紋整個(gè)外圓區(qū)域噴完顯影劑后有滲透出著色劑顏色，說明整個(gè)圓周區(qū)域有裂紋，且已經(jīng)向內(nèi)部擴(kuò)展（圖5）。而圖1中顯示的螺紋孔之間的裂紋僅為表面裂紋，未向內(nèi)部擴(kuò)展。

由于裂紋均分布在飛輪螺栓安裝面外圓周區(qū)域以及飛輪與曲軸齒輪配合面外圓周區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域均為圓角過渡區(qū)域，懷疑裂紋區(qū)域可能是應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋或過載造成的。

針對該疑點(diǎn)，進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，模擬的條件為飛輪螺栓按照規(guī)定扭矩?cái)Q緊后，飛輪各區(qū)域的應(yīng)力分布（圖6），結(jié)果表明在飛輪螺栓安裝面外圓周區(qū)域圓角處，應(yīng)力高達(dá)558MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過灰鐵250的應(yīng)力承受極限（灰鐵250應(yīng)力承受極限為：圓角處366.3MPa，平面250MPa）。在飛輪與曲軸齒輪的配合面外圓周區(qū)域圓角處，應(yīng)力高達(dá)1550MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過灰鐵250的應(yīng)力承受極限。

同時(shí)圖1的螺栓孔之間表面裂紋產(chǎn)生區(qū)域的應(yīng)力為330-350MPa，已經(jīng)超過了HT250材料在平面區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力允許值。

至此基本明確了問題的原因，由于初始設(shè)計(jì)中，飛輪螺栓安裝面的外圓周區(qū)域圓角設(shè)計(jì)過小，導(dǎo)致螺栓擰緊后，該區(qū)域應(yīng)力集中，在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象;在飛輪與曲軸齒輪的配合面，由于飛輪設(shè)計(jì)的空間局限性，飛輪安裝軸與接合面過渡圓角過小，引起應(yīng)力集中問題，在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象;螺紋孔之間的表面裂紋的產(chǎn)生原因?yàn)槁菟ǖ牡燃夁^高，擰緊后對飛輪表面的壓緊力過大所致。

3? 優(yōu)化措施

明確問題原因后，針對失效發(fā)生的原因進(jìn)行了分析，通過以下幾點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化：

①調(diào)整飛輪螺栓安裝面外圓周區(qū)域圓角大小;

②將安裝在飛輪上的變速器第一軸承更換為外徑更小、內(nèi)徑一致的產(chǎn)品，給飛輪與曲軸齒輪結(jié)合面的優(yōu)化讓出空間，加大過渡圓角;

③飛輪材料由灰鐵250升級為灰鐵300，提升材料的性能來滿足飛輪螺栓及各區(qū)域應(yīng)力過高的問題。

制定方案后，再次對優(yōu)化方案進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，模擬的條件為飛輪螺栓按照規(guī)定扭矩?cái)Q緊后，飛輪各區(qū)域的應(yīng)力分布（圖7），結(jié)果表明在飛輪螺栓安裝面外圓周區(qū)域圓角處，應(yīng)力降低為298MPa。在飛輪與曲軸齒輪的配合面外圓周區(qū)域圓角處，應(yīng)力降低為385MPa，均低于灰鐵300的材料許用應(yīng)力極限（灰鐵300許用應(yīng)力極限為：圓角處440MPa，平面300MPa）。

進(jìn)行上述優(yōu)化更改分析之后，隨即進(jìn)行了實(shí)物的臺架實(shí)驗(yàn)，該產(chǎn)品現(xiàn)已完成相關(guān)的臺架及道路實(shí)驗(yàn)，并已經(jīng)推向市場，飛輪開裂的現(xiàn)象沒有再次發(fā)生，結(jié)果顯示該問題已經(jīng)得到妥善的解決。

經(jīng)過綜合分析，發(fā)現(xiàn)飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)中非常重要，在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的前期要對飛輪的相關(guān)結(jié)構(gòu)以及材料進(jìn)行模擬計(jì)算分析，避免類似問題再次發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.

[2]柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編輯委員會.柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊上[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984.

[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.