飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性關(guān)鍵工序工藝優(yōu)化及應(yīng)用

■盛瑞傳動(dòng)股份有限公司 （山東濰坊 261041） 李金年

飛輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端，又是一個(gè)旋轉(zhuǎn)件，工件的工作穩(wěn)定性直接影響整機(jī)的使用效果，決定了整機(jī)使用壽命的長(zhǎng)短，同時(shí)影響飛輪輸出端部分關(guān)聯(lián)件的使用壽命。飛輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，不平衡量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全系數(shù)，如何在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中提高飛輪的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、最小化動(dòng)平衡剩余量、提高生產(chǎn)效率以及降低工藝成本，已經(jīng)成為提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)。

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新工藝的研究，優(yōu)化和改善飛輪動(dòng)平衡有關(guān)問(wèn)題，獲得高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的飛輪總成，取得了良好的應(yīng)用效果和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1. 動(dòng)平衡輕點(diǎn)標(biāo)識(shí)

發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)件的動(dòng)平衡去重檢測(cè)工序，受工藝裝備自身精度等多方面的影響，不能保證每個(gè)平衡件的最終剩余不平衡量達(dá)到“零”的理想狀態(tài)。在各個(gè)旋轉(zhuǎn)件的裝配使用中不考慮其自身不平衡量的位置，在裝配后旋轉(zhuǎn)部件的動(dòng)平衡量會(huì)疊加，大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)性，影響整車(chē)的駕乘體驗(yàn)。

通過(guò)動(dòng)平衡去重檢測(cè)件的不平衡量輕點(diǎn)的標(biāo)識(shí)（見(jiàn)圖1），即在動(dòng)平衡去重最終剩余量的位置單獨(dú)增加特殊標(biāo)記，便于整車(chē)廠裝配時(shí)與對(duì)應(yīng)的配合關(guān)聯(lián)件的不平衡量重點(diǎn)相中和，使旋轉(zhuǎn)部件的平衡精度趨于理想狀態(tài)。

圖1 不平衡量輕點(diǎn)的標(biāo)識(shí)

2. 動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用

傳統(tǒng)鑄造件通過(guò)鑄造模具設(shè)計(jì)制作的經(jīng)驗(yàn)鑄造出的飛輪毛坯，難免有些批次的毛坯在鑄造過(guò)程中存在質(zhì)量缺陷，流入機(jī)加工車(chē)間導(dǎo)致動(dòng)平衡工序的去重孔數(shù)量增多，甚至不平衡量超出機(jī)床設(shè)定值，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)平衡去重檢測(cè)，這樣就導(dǎo)致部分去重孔較多的飛輪件的使用壽命大打折扣，剛性降低。

通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件如Pro/E建立數(shù)模，把飛輪三維數(shù)模導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，仿真模擬飛輪在額定轉(zhuǎn)速以及高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的爆裂情況。通過(guò)ANSYS有限元分析軟件，為解決飛輪因高速旋轉(zhuǎn)而發(fā)生斷裂破壞缺陷的情況提供理論依據(jù)，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，減少產(chǎn)品工藝試制成本，避免因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的鑄造缺陷，加快飛輪新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

3. 總成件狀態(tài)供應(yīng)飛輪

國(guó)內(nèi)多數(shù)飛輪供應(yīng)商以飛輪零件形式供應(yīng)，但是從動(dòng)平衡精度來(lái)分析，在整機(jī)廠改變最終零件形態(tài)降低飛輪總成件的動(dòng)平衡精度，會(huì)直接影響整機(jī)振動(dòng)幅度，降低產(chǎn)品品質(zhì)。

飛輪件在發(fā)動(dòng)機(jī)上是以部件（圖2飛輪和圖3齒圈裝配組合）的形式存在，并旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。供應(yīng)飛輪件時(shí)，以飛輪為最終件做去重動(dòng)平衡檢測(cè)，整機(jī)裝配線在裝配齒圈后不再做動(dòng)平衡檢測(cè)。由于裝齒圈后平衡量發(fā)生變化，因而影響整機(jī)動(dòng)平衡質(zhì)量。

圖2 飛輪示意

圖3 齒圈示意

（1）飛輪件動(dòng)平衡去重檢測(cè)分析 經(jīng)過(guò)對(duì)工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以得出以下數(shù)據(jù)：動(dòng)平衡量設(shè)計(jì)要求≤40g·cm，飛輪件去重動(dòng)平衡檢測(cè)20～25g·cm，裝齒圈后動(dòng)平衡檢測(cè)35～45g·cm。

（2）熱裝齒圈后飛輪部件動(dòng)平衡檢測(cè)數(shù)據(jù)分析 動(dòng)平衡量設(shè)計(jì)要求≤40g·cm，飛輪總成件去重動(dòng)平衡檢測(cè)20～25g·cm，飛輪總成件動(dòng)平衡檢測(cè)20～25g·cm。

通過(guò)上述工藝試驗(yàn)可以驗(yàn)證，以飛輪部件的形式供應(yīng)，在裝配齒圈后的總成件上做去重動(dòng)平衡檢測(cè)，整機(jī)裝配線不再改變飛輪總成的狀態(tài)，從而可以直接提升整機(jī)的動(dòng)平衡品質(zhì)。

因此，與整機(jī)廠溝通飛輪供應(yīng)以總成件即部件的最終形式直接流入總裝線，這樣將不會(huì)再改變飛輪件的動(dòng)平衡精度，從而提升飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

4. 統(tǒng)一基準(zhǔn)

模擬飛輪與曲軸聯(lián)接方式，從飛輪的實(shí)際使用情況設(shè)計(jì)動(dòng)平衡去重檢測(cè)的定位基準(zhǔn)，即動(dòng)平衡去重檢測(cè)的工藝基準(zhǔn)與飛輪的實(shí)際使用基準(zhǔn)相一致，確保動(dòng)平衡最終剩余量的檢測(cè)數(shù)據(jù)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，達(dá)到動(dòng)平衡量的可控性，從而提升飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)動(dòng)平衡去重檢測(cè)設(shè)備受設(shè)備穩(wěn)定性的限制，多數(shù)把去重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為從上往下的結(jié)構(gòu)，兼顧飛輪產(chǎn)品圖樣去重孔的位置要求，但動(dòng)平衡去重檢測(cè)的定位基準(zhǔn)與產(chǎn)品圖樣設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不統(tǒng)一，并且導(dǎo)致動(dòng)平衡檢測(cè)基準(zhǔn)與圖樣不統(tǒng)一，影響動(dòng)平衡最終不平衡量的精度。

通過(guò)對(duì)飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)的研究，結(jié)合產(chǎn)品圖樣要求，按照基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)以及檢測(cè)基準(zhǔn)滿足此產(chǎn)品的實(shí)際使用工況，引進(jìn)自下往上的去重平衡機(jī)（見(jiàn)圖4），提高飛輪動(dòng)平衡去重檢測(cè)精度，保證飛輪動(dòng)平衡最終剩余量最小化，提升飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

圖4 自下往上的去重平衡機(jī)

5. 優(yōu)化車(chē)床卡爪結(jié)構(gòu)

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)卡爪結(jié)構(gòu)，增加卡爪夾持面積，如圖5所示。

2）固化卡爪液壓夾緊力的穩(wěn)定輸出值（見(jiàn)圖6）。

圖5 扇形卡爪

圖6 液壓站卡盤(pán)壓力表

跳動(dòng)的X b a r-R控制及過(guò)程能力分別如圖7、圖8所示，分析數(shù)據(jù)可得，跳動(dòng)的均值約為0.034mm，圖樣要求0.05mm，此車(chē)削工序質(zhì)量可控。

平面度的X b a r-R控制及過(guò)程能力分別如圖9、圖10所示，分析數(shù)據(jù)可得，平面度的均值約0.024mm，圖樣要求0.03mm，此車(chē)削工序質(zhì)量可控。

6. 加嚴(yán)平衡工藝

在滿足飛輪產(chǎn)品設(shè)計(jì)不平衡量技術(shù)要求的前提下，通過(guò)加嚴(yán)工藝要求，設(shè)計(jì)要求由40g·cm提高到30g·cm，盡量減少設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)和檢測(cè)基準(zhǔn)不統(tǒng)一造成的誤差，提升動(dòng)平衡檢測(cè)工序能力。

7. 優(yōu)化動(dòng)平衡夾具設(shè)計(jì)

原動(dòng)平衡工序使用的夾具（見(jiàn)圖11）是利用定位錐通過(guò)下拉彈性脹套的變大而產(chǎn)生的脹緊力實(shí)現(xiàn)工件自定心與夾緊功能。從圖11中的示意分析可以看到，夾緊力（N）對(duì)工件分解為徑向力（N1）和向上的軸向力（N2），向上的軸向力影響工件與動(dòng)平衡夾具的定位接合程度，大大降低了動(dòng)平衡精度。

為避免產(chǎn)生向上的軸向力而對(duì)動(dòng)平衡精度造成影響，需要重新優(yōu)化動(dòng)平衡夾具結(jié)構(gòu)，采用倒錐式下拉脹套式的新型夾具（見(jiàn)圖12），通過(guò)驗(yàn)證可以很好地消除向上的軸向力。利用倒錐式拉桿向下拉，使倒錐式脹套直徑變大，產(chǎn)生一個(gè)徑向力N1和向下的軸向力N2，工件被N1夾緊的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自定心功能，再由N2把工件向下壓使基準(zhǔn)面與夾具定位面牢牢結(jié)合在一起，提高動(dòng)平衡去重檢測(cè)精度。

圖7 跳動(dòng)的Xbar-R控制

圖8 跳動(dòng)的過(guò)程能力

圖9 平面度的Xbar-R控制

圖10 平面度的過(guò)程能力

圖11 原動(dòng)平衡夾具示意

圖12 倒錐式夾具示意

采用倒錐式定位夾緊動(dòng)平衡夾具進(jìn)行動(dòng)平衡去重檢測(cè)，動(dòng)平衡量設(shè)計(jì)要求≤40g·cm，原夾具定位動(dòng)平衡檢測(cè)30～40g·cm，倒錐式定位夾緊動(dòng)平衡檢測(cè)20～25g·cm，其平衡精度明顯優(yōu)于原平衡夾具。

8. 設(shè)計(jì)滾齒夾具

齒圈作為飛輪部件的關(guān)鍵件，也是發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的易損件之一，其嚙合精度影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)速度、平穩(wěn)性以及客戶舒適性。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)滾齒夾具（見(jiàn)圖13），保證齒圈全齒高尺寸的均勻性以及單工序最大產(chǎn)出的能力；考慮齒圈內(nèi)孔外圓精車(chē)工序的實(shí)際加工精度，通過(guò)脹瓣自定心性消除齒圈工件內(nèi)孔工序加工尺寸一致性差的誤差，提高齒圈滾齒工序中全齒高尺寸的質(zhì)量穩(wěn)定性；利用脹瓣結(jié)構(gòu)夾緊工件，保證齒圈精車(chē)工序精度要求，減小自身變形量，大大提高工序產(chǎn)出能力。

圖13 滾齒夾具示意

擰緊螺母，受壓后壓圈向下運(yùn)動(dòng)，脹瓣被動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，在錐體的結(jié)構(gòu)影響下，脹瓣越向下直徑越大，從而把齒圈內(nèi)孔脹緊，消除內(nèi)孔自身橢圓間隙，起到定心作用。

9. 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)大部分飛輪加工企業(yè)仍處于粗放型加工形態(tài)，工序多、精度低，為此如何提升旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、改變飛輪零件供貨形式是首先要考慮的研究課題。本文通過(guò)改變供貨形態(tài)、訂制動(dòng)平衡設(shè)備、升級(jí)老舊設(shè)備和優(yōu)化關(guān)鍵工序夾具等改進(jìn)措施，在滿足市場(chǎng)正常供應(yīng)的情況下全面提升產(chǎn)品品質(zhì)。該項(xiàng)目在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上有著廣闊的應(yīng)用前景，符合當(dāng)前倡導(dǎo)的低碳、綠色、環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略。