飛輪連接螺栓可靠性提升研究

栗明，胡偉，李廣，趙建永

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061 ）

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飛輪連接螺栓可靠性提升研究

栗明，胡偉，李廣，趙建永

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061 ）

摘 要：飛輪與曲軸采用飛輪連接螺栓進(jìn)行聯(lián)接，由于飛輪連接螺栓是傳遞力矩的重要部件，如果出現(xiàn)飛輪連接螺栓斷裂的問(wèn)題，危害性極大，會(huì)導(dǎo)致曲軸和曲軸連接件報(bào)廢，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；為了確保螺栓聯(lián)接的可靠性，文章從使用的工況、 EVB排氣制動(dòng)使用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響情況、用戶駕駛習(xí)慣、離合器匹配規(guī)范、曲軸飛輪連接螺栓設(shè)計(jì)等方面提出整改預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：斷裂；超速；壓潰；法蘭面螺栓；駕駛習(xí)慣

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.041

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-120-05

前言

飛輪連接螺栓是聯(lián)接曲軸和飛輪的重要部件，其發(fā)揮的作用是通過(guò)螺栓預(yù)緊力來(lái)提供飛輪和曲軸之間的摩擦力，用以保證兩者之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)。因?yàn)樵诓裼蜋C(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，飛輪連接螺栓受力情況比較復(fù)雜，同時(shí)承受飛輪輸出扭矩和飛輪自身重力，因此需要對(duì)飛輪螺栓可靠性進(jìn)行分析，預(yù)防故障發(fā)生，本文從發(fā)動(dòng)機(jī)自身的質(zhì)量問(wèn)題及用戶使用習(xí)慣進(jìn)行分析，通過(guò)進(jìn)行詳盡的舊件分析、理論計(jì)算、臺(tái)架試驗(yàn)、實(shí)地測(cè)試提升飛輪連接螺栓可靠性問(wèn)題。

圖1　曲軸端損壞照片

1、EVB對(duì)柴油機(jī)扭振影響實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)概述

試驗(yàn)名稱(chēng)： EVB對(duì)柴油機(jī)扭振影響實(shí)驗(yàn)。

1.2 目的與要求

對(duì)柴油機(jī)飛輪連接螺栓進(jìn)行排氣制動(dòng)狀態(tài)下的扭振測(cè)試，找出是否因軸系扭振過(guò)大，導(dǎo)致螺栓斷裂。

1.3 試驗(yàn)對(duì)象

柴油機(jī)，蝶閥，如圖3所示，圖中圈出部分為蝶閥。

圖3　柴油機(jī)及蝶閥

1.4 扭振測(cè)試環(huán)境

柴油機(jī)扭振測(cè)試過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，在減振器端裝上傳感器，在減振器溫度達(dá)到平衡之后，測(cè)量扭振及減振器表面溫度。

圖4　柴油機(jī)扭振試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

1.5 扭振測(cè)試方法

扭振的測(cè)量方法如下：

柴油機(jī)水溫、油溫、進(jìn)氣壓力等各項(xiàng)參數(shù)符合技術(shù)條件后進(jìn)行扭振試驗(yàn)。

柴油機(jī)在要求負(fù)荷運(yùn)行30min后，待減振器便面溫度不變或五分鐘內(nèi)小于1℃時(shí)開(kāi)始扭振試驗(yàn)，記錄扭振數(shù)據(jù)。

1.6 扭振測(cè)試結(jié)果及分析

先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)正常外特性工況下的扭振，將發(fā)動(dòng)機(jī)沿外特性曲線在150s內(nèi)從最高空車(chē)降到怠速，得到變轉(zhuǎn)速扭振特性曲線，如圖5所示，最大扭振出現(xiàn)在4.5階曲線，1885r/min工況上，為0.2℃左右，扭振處于正常范圍，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)軸系狀態(tài)正常。

圖5　柴油機(jī)的外特性扭振曲線

圖6為發(fā)動(dòng)機(jī)外特性工況下的缸壓及扭振曲線圖，顯示缸壓及扭矩正常。

圖6　柴油機(jī)外特性工況下的缸壓及扭矩曲線

測(cè)試開(kāi)啟蝶閥，倒拖狀態(tài)下的扭振。倒拖從最高空車(chē)轉(zhuǎn)速在120s內(nèi)降到怠速，測(cè)得扭振，缸壓，扭振如圖7、8所示。在倒拖情況下，缸壓下降到了4.5MPa～5.8 MPa之間，軸系扭振顯著減小，在大部分轉(zhuǎn)速下，扭振值都在0.1°以下。（扭振曲線出現(xiàn)的小鼓包為干擾信號(hào)，跟扭振無(wú)關(guān)，分析扭振曲線時(shí)可以直接削去）。

安裝蝶閥，進(jìn)行排氣制動(dòng)狀態(tài)下的扭振試驗(yàn)。關(guān)閉蝶閥，在閥前壓力穩(wěn)定后，倒拖降轉(zhuǎn)速，得到扭振、缸壓、閥前壓力、扭振等曲線，如圖9、10、11。在1200r/min～1300 r/min之間，蝶閥前壓力機(jī)扭振波動(dòng)較大，缸壓也有點(diǎn)不穩(wěn)定，同樣的，對(duì)扭振影響較小。

圖9　排氣制動(dòng)狀態(tài)下的扭振曲線

圖10　缸壓及蝶閥前壓力曲線

圖11　排氣制動(dòng)狀態(tài)下扭矩曲線

1.6 結(jié)論與建議

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得到結(jié)論如下：

測(cè)試用發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)性能正常，軸系扭振最大為0.2°，處于正常水平。

在倒拖及排氣制動(dòng)情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)軸系的扭振是很小的。

蝶閥關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊最大為3MPa，這樣的大小對(duì)扭振影響很小。

總上所述，軸系扭振異常不影響飛輪連接螺栓可靠性。

2、故障件返回分析

2.1 螺栓斷裂背景

四川攀枝花某公司反映整車(chē)無(wú)法啟動(dòng)，經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)如圖12-16。

飛輪與曲軸連接的螺栓全部斷裂，其中7根螺栓斷裂為兩段，位置在曲軸沉孔處；2根斷裂為3段，位置在曲軸沉孔處和飛輪與曲軸結(jié)合面處，斷裂為3段的螺栓桿部彎曲，螺栓頭部有磨損痕跡。

圖12　故障件返回分析

斷裂為兩段的螺栓螺紋部位存在擠壓痕跡，長(zhǎng)度約7扣，與沉孔深度吻合。

五根螺栓根部，長(zhǎng)度不一，說(shuō)明螺栓存在一定的松動(dòng)跡象。

圖13　螺栓斷裂處示意圖

圖14　螺栓端口比較圖

和螺栓連接的飛輪接觸面有壓潰現(xiàn)象，和曲軸接觸的飛輪接觸面上有高溫?zé)Y(jié)痕跡。

圖15　飛輪壓潰及高溫?zé)Y(jié)圖示

與飛輪接觸的曲軸結(jié)合面有高溫?zé)Y(jié)的痕跡，且螺栓沉孔全部變形。

圖16　曲軸軸頭高溫?zé)Y(jié)圖示

2.2 螺栓斷裂問(wèn)題分析

飛輪螺栓斷口1#-7#螺栓斷口無(wú)明顯的疲勞貝紋線，為雙向彎曲過(guò)載剪切斷裂。

有一根螺栓根部很短，說(shuō)明螺栓松動(dòng)嚴(yán)重。

圖17　螺栓斷面理化分析

2.3 飛輪螺栓強(qiáng)度排查

螺栓材料為42CrMo，要求螺栓強(qiáng)度10.9級(jí)，螺栓硬度滿足要求。

圖18　螺栓硬度列表

2.4 螺栓夾緊力不足排查

2.4.1 屈服軸力計(jì)算

圖19　屈服軸力計(jì)算

2.4.2 扭矩傳遞安全系數(shù)計(jì)算

圖20　扭力傳遞計(jì)算

2.4.3 飛輪壓潰導(dǎo)致夾緊力損失

故障機(jī)飛輪壓潰深度約為0.1mm，單根螺栓夾緊力損失約為38.46kN，夾緊力損失37%左右，影響動(dòng)扭矩傳遞能力及螺栓鎖緊性能。

圖21　飛輪表面壓潰圖示

2.5 飛輪材料硬度排查

飛輪材料為HT250，硬度為229HBW，符合QWCG050-2009灰鑄鐵件通用技術(shù)條件（190～240HB）。

飛輪硬度合格，排除飛輪材料不合格造成的壓潰。

飛輪接觸面壓強(qiáng)大于飛輪材料承壓能力，飛輪被壓潰。

圖22　螺栓壓潰計(jì)算

裝配線上存在飛輪接觸面壓潰問(wèn)題。

圖23　飛輪表面壓潰圖示

壓潰后扭矩傳遞安全系數(shù)計(jì)算。

圖24　壓潰后扭矩傳遞安全系數(shù)計(jì)算

2.6 整改措施

將飛輪螺栓改為法蘭面螺栓（非標(biāo)設(shè)計(jì)），避免螺栓壓潰。

圖25　更改為法蘭面螺栓壓潰計(jì)算

3、飛輪法蘭面12.9級(jí)擰緊工藝修訂試驗(yàn)

3.1 工藝修訂試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)的飛輪螺栓（件號(hào)：612600020966）為12.9級(jí)法蘭面，得到的新的擰緊工藝是60Nm+90°+90°，擰緊螺栓后得出的擰緊曲線如下:

圖26　螺栓擰緊曲線

飛輪表面與螺栓接觸面良好，無(wú)壓潰存在，工藝可靠。

圖27　飛輪與螺栓接觸面

3.2 裝配工藝驗(yàn)證

裝配中使用三軸擰緊機(jī)擰緊螺栓，對(duì)螺栓按照60Nm+180°的擰緊工藝擰緊螺栓，得到的螺栓擰緊曲線。

圖28　螺栓擰緊曲線

曲線表明新制定的工藝在擰緊驗(yàn)證結(jié)果可靠。

對(duì)試驗(yàn)所得的最終扭矩值做統(tǒng)計(jì)，得出螺栓扭矩值95%的數(shù)值分布的區(qū)間是228～355Nm。

對(duì)扭矩值進(jìn)行修訂，將分布區(qū)間修訂為230～360Nm。

由于試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)較少，建議后期更改工藝后，批量生產(chǎn)一段時(shí)間，再對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)分析。

圖29　試驗(yàn)所得的最終扭矩值做統(tǒng)計(jì)

修改后的飛輪螺栓按照以下工藝擰緊：

手動(dòng)把緊：60Nm+90°+90°；

擰緊機(jī)把緊：60Nm+180°。

4、選取最?lèi)毫庸r對(duì)駕駛習(xí)慣進(jìn)行的NVH試驗(yàn)

4.1 問(wèn)題背景

選取最?lèi)毫拥V區(qū)工況，某地區(qū)一臺(tái)礦用車(chē)發(fā)生飛輪連接螺栓斷裂問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行NVH性能方面進(jìn)行分析，查找故障原因，并提出進(jìn)一步的改進(jìn)措施。

4.2 試驗(yàn)項(xiàng)目與內(nèi)容

故障車(chē)235#和正常車(chē)242#路試試驗(yàn)。

圖30　測(cè)試車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)信息

圖31　路試測(cè)點(diǎn)

4.3 路況信息

整車(chē)滿載（拉石頭）

路況惡劣，基本為下坡—彎—上坡—彎—下坡，且坡度較大。

圖32　路況

4.4 試驗(yàn)結(jié)論

故障車(chē)在路試過(guò)程中多處出現(xiàn)較大沖擊，幅值高達(dá)25g，經(jīng)核對(duì)正好是故障車(chē)司機(jī)換擋當(dāng)中的幾次，其一定程度上對(duì)曲軸與飛輪連接螺栓產(chǎn)生沖擊。

圖33　故障車(chē)與整車(chē)車(chē)輛沖擊對(duì)比，上圖為故障車(chē)沖擊圖

故障車(chē)在重載下坡過(guò)程，故障車(chē)多次出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過(guò)2500rpm，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速倒拖狀態(tài)，曲軸飛輪連接螺栓克服飛輪曲軸等高速旋轉(zhuǎn)扭矩越大，其會(huì)引起螺栓發(fā)生斷裂的可能，亦會(huì)加速發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)相關(guān)部件的磨損，產(chǎn)生不可預(yù)估的破壞。

4.5 改進(jìn)建議

杜絕發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速倒拖狀態(tài)，尤其在重載下坡過(guò)程?？赏ㄟ^(guò)控制車(chē)速，利用剎車(chē)及時(shí)注意轉(zhuǎn)速表等措施。

換擋時(shí)“溫柔”操作，確保離合器踩到底換擋。

5、結(jié)論及改進(jìn)方案

通過(guò)以上分析，提升飛輪連接螺栓可靠性主要有以下兩方面：①螺栓存在壓潰接觸面，造成擰緊力損失；②用戶駕駛粗暴。

提升方案：①設(shè)計(jì)法蘭面螺栓替換普通六角頭螺栓；②制定卡車(chē)、客車(chē)、工程機(jī)械用戶駕駛規(guī)范。

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Reliability Improvement Of Flywheel Connecting Bolt

Li Ming, Hu Wei, Li Guang, Zhao Jianyong
( Weichai power Co., LTD., Shandong Weifang 261061 )

Abstract:The flywheel and crankshaft is connected with the bolt of the flywheel，As flywheel connecting boltsis an important part of the transmission torque.If there is a problem of the flywheel connecting bolt fracture，is a great harm，it will cause the crank and the connecting parts to be declared worthless，cause serious economic losses.

In order to ensure the reliability of the bolt connection，the following file will through the working condition、the influence of the EVB、driver’s driving habits、clutch matching specification、the bolts design to put forward corrective and preventive measures.

Key words:crack; speeding; crush; flange bolt; driving habits

作者簡(jiǎn)介：栗明，就職于濰柴動(dòng)力股份有限公司。

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-120-05