某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪失效分析

李永純，楊園園，羅慶東

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪失效分析

李永純，楊園園，羅慶東

（寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司，浙江 寧波 315336）

為了保證零部件可以順利整車耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，快速分析失效原因及提出解決方案；文章基于對(duì)某款型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)減震皮帶輪及單向離合器工作原理、彈簧片斷口及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，確定產(chǎn)品失效主要原因并提出相應(yīng)的解決措施。針對(duì)改進(jìn)后的零部件進(jìn)行仿真分析后，確定此方案的有效性，最后通過整車耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了解決方案的可行性。

發(fā)動(dòng)機(jī)；減震皮帶輪；單向離合器；彈簧片；失效分析

交流發(fā)電機(jī)是汽車整車用電的主要來源，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，除向整車用電器供電外，同時(shí)還可以向蓄電池充電。

由于現(xiàn)代汽車對(duì)整車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能及油耗均有較高要求，發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的性能及可靠性，皮帶張緊力影響到整車油耗，所以主流技術(shù)采用雙向減震皮帶輪，既可以提升NVH性能，又可以降低皮帶張緊力，進(jìn)而降低整車油耗。這種帶有減震結(jié)構(gòu)的皮帶輪都集成發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪功能，安裝在發(fā)電機(jī)前端。

本文討論由于發(fā)電機(jī)雙向減震皮帶輪故障，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無法正常工作，著重分析皮帶輪的失效模式、改進(jìn)措施及驗(yàn)證效果。

1 雙向減震皮帶輪結(jié)構(gòu)及工作原理

雙向減震皮帶輪主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，滾針軸承的作用是承載發(fā)電機(jī)帶輪的徑向載荷，驅(qū)動(dòng)帶輪起到將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩通過皮帶、帶輪傳遞給發(fā)電機(jī)的作用；單向離合器（One Way Clutch, OWC）總成是減震皮帶輪組件中最核心的零部件，起到實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的作用，在超越時(shí)實(shí)現(xiàn)帶輪與發(fā)電機(jī)軸的分離；彈簧的作用是將扭矩由帶輪傳遞到OWC，通過OWC傳遞到發(fā)電機(jī)軸并起到吸收來自帶輪振動(dòng)的作用；中心軸的作用是將減震皮帶輪通過螺栓固定在發(fā)電機(jī)軸上[1-3]。

1－中心軸；2－滾針軸承；3－帶輪；4－彈簧；5－離合器座；6－單向離合器；7－止推襯套；8－滾珠軸承；9－密封蓋；10－單向離合器滾針；11－墊片。

從圖1的減震皮帶輪結(jié)構(gòu)圖中可以看到，彈簧和單向離合器串聯(lián)在中心軸與帶輪之間，具有單向超越功能和隔離扭振這兩種功能。

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩通過驅(qū)動(dòng)皮帶、發(fā)電機(jī)減震帶輪、單向離合器、中心軸傳遞至發(fā)電機(jī)，可以使發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)整車換擋過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，致使發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶由原正常工作時(shí)的緊邊轉(zhuǎn)變成松邊，當(dāng)速度較快或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)皮帶與發(fā)電機(jī)帶輪之間打滑，產(chǎn)生噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)加劇皮帶的磨損。

發(fā)動(dòng)機(jī)輪系在使用減震皮帶輪后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過驅(qū)動(dòng)皮帶傳遞到減震皮帶輪，減震皮帶輪的轉(zhuǎn)速會(huì)小于中心軸轉(zhuǎn)速，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過中心軸帶動(dòng)單向離合器轉(zhuǎn)動(dòng)，致使單向離合器滾針脫離原位置實(shí)現(xiàn)超越，發(fā)電機(jī)帶輪隨著驅(qū)動(dòng)皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)一同減速，此時(shí)發(fā)電機(jī)仍然保持較高轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了單向超越功能。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，單向離合器中滾針與內(nèi)外圈結(jié)合，帶動(dòng)中心軸及發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)樵趲л喤c單向離合器間存在有彈簧，所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不會(huì)與驅(qū)動(dòng)皮帶同步加速，從而就實(shí)現(xiàn)了隔離發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶傳遞的扭振的功能[4-6]，如圖2所示。

單向離合器工作原理：?jiǎn)蜗螂x合器在鎖止?fàn)顟B(tài)時(shí)，滾針卡死在內(nèi)圈與外圈之間，使單向離合器的外圈、滾針和內(nèi)圈成為一體，相當(dāng)不動(dòng)。此時(shí)彈簧高度最大，壓縮值最小，外圈通過滾針帶動(dòng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速相同，如圖3(a)所示。

單向離合器在脫開狀態(tài)時(shí)，滾針可以在內(nèi)圈與外圈間旋轉(zhuǎn)，使內(nèi)圈與外圈脫開，內(nèi)圈與外圈間沒有力矩傳遞，此時(shí)彈簧高度最小，壓縮值最大，而且彈簧壓縮值與滾針的離心力成正比，離心力越大，彈簧壓縮值越大，而且時(shí)時(shí)變化，如圖3(b)所示。

由于張緊力的降低，可以使輪系具有以下特點(diǎn)：

1）減少發(fā)動(dòng)機(jī)附件皮帶輪系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；

2）增加輪系的使用壽命；

3）改善振動(dòng)噪音；

4）改善油耗。

圖3 單向離合器工作原理

2 失效分析

根據(jù)試驗(yàn)車輛反饋發(fā)電機(jī)無法發(fā)電，經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)減震皮帶輪中間軸磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。單向離合器滾針表面有輕微變色，且與彈簧片接觸處有磨損痕跡，部分滾針外表面已被磨平，彈簧片斷裂、缺失，如圖4—圖6所示。

圖4 中間軸燒蝕

圖5 彈簧片斷裂

圖6 滾針磨損

通過拆解零件判定，由于單向離合器彈簧片斷裂，導(dǎo)致滾針卡死在單向離合器內(nèi)圈與外圈之間，無法起到超越作用，在外力的作用下，與中間軸產(chǎn)生相對(duì)位移，最終導(dǎo)致中間軸燒蝕及滾針磨損。

經(jīng)過對(duì)彈簧片進(jìn)行斷口分析，分別在彈簧片折斷處進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)斷口1與斷口2裂紋源區(qū)無明顯加工缺陷，斷口1和斷口2裂紋源均處于彈簧片折彎外側(cè)應(yīng)力集中處，如圖7(a)所示；圖7(b)斷口裂紋（擴(kuò)展區(qū)）顯示的斷口微觀形貌特征分析，可得出該斷裂呈現(xiàn)疲勞斷裂的特征。

圖7 斷口分析

經(jīng)過上述分析和整車測(cè)試得出，此故障為耐久性問題，隨著減震皮帶輪運(yùn)行時(shí)間及單向離合器超越次數(shù)的增加，會(huì)增大單向離合器彈簧片斷裂風(fēng)險(xiǎn)。彈簧減震皮帶輪設(shè)計(jì)耐久總超越次數(shù)為1 800萬次，而在整車實(shí)際耐久驗(yàn)證中測(cè)得實(shí)際總超越次數(shù)約5 300萬次，設(shè)計(jì)裕度不滿足整車實(shí)際使用工況，故需對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

3 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

通過以上分析，可以判定單向離合器彈簧失效原因?yàn)槟途么螖?shù)不滿足整車實(shí)際使用需求，需要對(duì)彈簧片進(jìn)行加強(qiáng)。在單向離合器現(xiàn)有空間內(nèi)，彈簧片寬度可以由目前的1.0 mm增大到1.14 mm，彈簧片的厚度可以由目前的0.15 mm增大到0.17 mm。為了保持彈簧片自由高度2.6 mm不變，所以折彎角度由30°減小到25.6°。經(jīng)過仿真分析，改進(jìn)后彈簧片應(yīng)力及受力能力都優(yōu)于改進(jìn)前，如圖8、圖9和表1所示。

圖8 改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)對(duì)比

表1 改進(jìn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

高度/mm當(dāng)前壓強(qiáng)/MPa當(dāng)前壓力/N改進(jìn)后壓強(qiáng)/MPa改進(jìn)后壓力/N 1.77151.756652.27 1.5852.058002.77 1.31 0402.309433.49

改進(jìn)后減震皮帶輪在經(jīng)過耐久后測(cè)試，傳遞力矩及超越功能正常。拆解減震皮帶輪，其中單向離合器結(jié)構(gòu)完好，功能正常；外圈無裂紋；保持架及彈簧片無裂紋，如圖10所示。

滾針及彈簧片測(cè)試，滾針受工作磨損影響較小，直徑及長(zhǎng)度變化不大，滿足設(shè)計(jì)要求，如表2所示，彈簧片沒有出現(xiàn)裂紋、斷裂等現(xiàn)象，高度及受力測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，如表3所示。

表2 滾針直徑及長(zhǎng)度檢測(cè)結(jié)果

零件編號(hào)1# 2#3# 4# 5# 直徑/mm2.215 2.2152.215 2.216 2.215 長(zhǎng)度/mm10.63 10.6210.62 10.63 10.65 零件編號(hào)6# 7#8# 9# 10# 直徑/mm2.215 2.2172.215 2.215 2.217 長(zhǎng)度/mm10.62 10.610.61 10.63 10.61 零件編號(hào)11# 12#13# 14# 15# 直徑/mm2.216 2.2172.21 2.216 2.215 長(zhǎng)度/mm10.64 10.6210.64 10.63 10.66

表3 彈簧片高度及受力檢測(cè)結(jié)果

零件編號(hào)1# 2#3# 4# 5# 直徑/mm2.215 2.2152.215 2.216 2.215 長(zhǎng)度/mm10.63 10.6210.62 10.63 10.65 彈簧力/N2.068 2.1472.215 2.177 2.031 零件編號(hào)6# 7#8# 9# 10# 直徑/mm2.215 2.2172.215 2.215 2.217 長(zhǎng)度/mm10.62 10.610.61 10.63 10.61 彈簧力/N2.15 2.2012.17 2.061 2.215 零件編號(hào)11# 12#13# 14# 15# 直徑/mm2.216 2.2172.21 2.216 2.215 長(zhǎng)度/mm10.64 10.6210.64 10.63 10.66 彈簧力/N2.043 2.0322.136 2.152 2.071

4 總結(jié)

對(duì)減震皮帶輪及單向離合器工作原理進(jìn)行分析，結(jié)合對(duì)故障件斷口分析，得出故障原因，并結(jié)合零部件實(shí)際設(shè)計(jì)情況，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。通過仿真分析手段，對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，再對(duì)整車耐久試驗(yàn)測(cè)試零件進(jìn)行拆解分析，最終確認(rèn)改進(jìn)方案有效。最后經(jīng)過耐久極限分析，改進(jìn)后單向離合器可以達(dá)到9 800萬次耐久總次數(shù)，完全可以滿足整車耐久出現(xiàn)5 300萬次超越次數(shù)，提升產(chǎn)品的耐久使用壽命。

[1] 曾祥坤,上官文斌,張少飛.具有單向離合解耦器的發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)建模及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2012,30(2):180-185.

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Failure Analysis of a Type of Engine Pulley

LI Yongchun, YANG Yuanyuan, LUO Qingdong

( Ningbo Geely Automobile Research and Development Company Limited, Ningbo 315336, China )

In order to ensure that components can smooth the vehicle durability test, quick analysis of failure causes and propose solutions;In this paper, based on a model engine damping pulley and the working principle of the one-way clutch, spring clip and test result analysis, determine product main failure causes and put forward the corresponding solutions.For the improved parts after simulation analysis, to determine the effectiveness of this solution, finally through the vehicle durability test, determine the feasibility of the solution.

Engine; Damping pulley; One-way clutch; Spring;Failure analysis

U464.149

A

1671-7988(2023)12-72-05

李永純（1980－），男，工程師，研究方向?yàn)槠噭?dòng)力系統(tǒng)，E-mail:liyongchun1@geely.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.014