某汽油機飛輪齒圈斷裂分析

羅俊

安徽江淮汽車集團股份有限公司 安徽省合肥市 230601

1 引言

某2.0L汽油發(fā)動機所搭載車輛在行駛20公里后發(fā)現(xiàn)變速箱異響，拆下發(fā)動機后，發(fā)現(xiàn)飛輪齒圈從飛輪組件上脫落斷裂，如下圖所示，經(jīng)檢查，斷裂部位非飛輪齒圈焊接點處。

飛輪在發(fā)動機上的作用主在有三點：（1）與離合器接合，傳動動力；（2）將活塞往復(fù)運動轉(zhuǎn)化成曲軸和飛輪的旋轉(zhuǎn)運動并將能量進(jìn)行儲存；（3）集成飛輪齒圈，在發(fā)動機點火時刻，起動機小齒輪與飛輪齒圈嚙合，小齒輪驅(qū)動飛輪齒圈旋轉(zhuǎn)，并帶動飛輪轉(zhuǎn)動，并配合發(fā)動機點火噴油時刻，從而完成發(fā)動機啟動，使發(fā)動機開始正常工作。本車輛故障中，飛輪齒圈的損壞，直接導(dǎo)致發(fā)動機無法啟動，車輛不能行使。目前發(fā)動機齒圈與飛輪接合的方式主要為過盈配合或焊接形式。

2 飛輪齒圈載荷分析

2.0L汽油發(fā)動機飛輪為單質(zhì)量飛輪，飛輪齒圈通過加熱后，套上飛輪本體上，實現(xiàn)過盈配合。飛輪齒圈受力主要為兩種形式：一為起動機啟動過程中，起動機小齒輪與飛輪齒圈嚙合，飛輪齒圈受到起動機的驅(qū)動沖擊力；二是飛輪齒圈與飛輪本體的過盈配合，導(dǎo)致因飛輪齒圈與飛輪本體過盈量的存在而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力大小主要受過盈量大小變化而變化。過盈配合的內(nèi)應(yīng)力飛遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輪齒圈受起動機的驅(qū)動沖擊力，并且內(nèi)應(yīng)力會長時間保留在飛輪內(nèi)部，并保證飛輪齒圈與飛輪本體不會產(chǎn)生滑移。因此，對于與起動機小齒輪接觸的飛輪齒圈齒部，需要有足夠的剛度及硬度，保證在起動機的驅(qū)動沖擊載荷下，飛輪齒圈齒部不會斷裂；同時要求飛輪齒圈與飛輪本體接觸的內(nèi)徑部位有足夠的強度，能夠吸引并承受過盈配合的內(nèi)應(yīng)力，保證飛輪齒圈不會產(chǎn)生裂紋斷裂。

3 故障分析及方案驗證

鑒于飛輪齒圈斷裂的故障形式以及飛輪齒圈的受力形式，分別從飛輪齒圈的嚙合計算、飛輪齒圈的機械性能及飛輪齒圈的一般尺寸檢查等方面進(jìn)行分析檢查。

3.1 飛輪齒圈的嚙合計算

飛輪齒圈與起動機小齒輪嚙合不良，易導(dǎo)致嚙合過過程中出現(xiàn)異響，甚至嚙合時的力矩過大，而飛輪齒圈由于結(jié)構(gòu)原因本身厚度較小，且同時還承受著飛輪齒圈與飛輪過盈配的內(nèi)應(yīng)力，在外部嚙合應(yīng)力放大時，與過盈的內(nèi)應(yīng)力相互作用，最終會導(dǎo)致飛輪齒圈斷裂。

飛輪齒圈與起動機的小齒輪嚙合為常規(guī)的齒輪嚙合機構(gòu)，評價飛輪齒圈與起動機小齒輪嚙合好壞主從三個方面進(jìn)行評價：重合度ε（又稱嚙合率）、頂隙。其中齒輪嚙合重合度ε范圍為0.9~1.2，頂隙最小為0.8mm.

飛輪齒圈與起動機小齒輪重合度計算公式如下：

式中：Z1為小齒輪齒數(shù)；

Z2為大齒輪齒數(shù)；

αa1為小齒輪齒頂圓壓力角；

αa2為大齒輪齒頂圓壓力角；

α'為嚙合角。

其中，

式中：αa為齒頂圓壓力角；

α為壓力角；

rb為基圓半徑；

A為兩齒圈中心距；

ra為齒頂圓半徑；

m為模數(shù)；

Z為齒數(shù)；

某2.0L汽油機中，起動機小齒輪與飛輪齒圈參數(shù)如下：

根據(jù)以上參數(shù)，代入以上公式，可以算出重合度ε為1.0414，滿足0.9~1.2的范圍要求；起動機小齒輪齒根與飛輪齒圈齒頂間隙為1.865mm，起動機小齒圈齒頂與飛輪齒圈齒根間隙為0.8mm，頂隙值均大于0.8mm要求。因此，起動機與飛輪齒圈嚙合在設(shè)計計算上滿足要求。

飛輪齒圈與飛輪本體采用熱壓過盈配合，其中飛輪配合面外徑為Φ274.4（0/-0.052）mm，飛輪齒圈內(nèi)徑為Φ274（0/-0.2）mm，可以算出配合過盈量為0.348mm~0.6mm，為一般常規(guī)的飛輪的過盈配合。

3.2 飛輪齒圈性能檢測

此2.0L汽油發(fā)動機飛輪材料采用灰鐵HT250，飛輪齒圈材料采用常規(guī)的45鋼。對斷裂的飛輪齒圈進(jìn)行相關(guān)檢測。

為保證飛輪齒圈的齒頂有足夠的硬度與起動機小齒輪嚙合，飛輪齒圈齒頂需要進(jìn)行淬火處理，淬火后硬度為HRC（49~55）。對飛輪齒圈齒頂硬度進(jìn)行檢測，分別取三處不同位置，檢測結(jié)果如下圖所示，檢測結(jié)果均滿足要求。

同時，為進(jìn)一步保證淬火有效性，淬火層深度過飛輪齒圈齒根0.5mm~3mm。檢測飛輪齒圈淬火層深度，為0.92mm，滿足淬硬層深度要求。

3.3 尺寸分析

由于飛輪齒圈既承受著嚙合力，同時還承受著過盈配合的時內(nèi)應(yīng)力。因此，飛輪齒圈既需要滿足嚙合時的硬度要求，同時還要滿足過盈配合的強度要求。對于硬度要求，一般要求熱處理淬硬層的深度過齒根0.5mm~3mm。對飛輪齒圈淬硬層深度進(jìn)行檢測，結(jié)果如下：

由圖可以看出，淬硬層深度均滿足要求。

為承受飛輪齒圈與飛輪過盈配合的內(nèi)應(yīng)力，飛輪齒根還需要滿足一定厚度要求。對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，可以得出飛輪齒根厚度約為3.34mm，而齒頂?shù)拇阌矊由疃燃s為2.2mm，因此承受飛輪齒圈過盈配合內(nèi)應(yīng)力的厚度約為1.14mm。此厚度值已小遠(yuǎn)常規(guī)的厚度值。因此，判定飛輪齒圈斷裂為飛輪齒圈齒根厚度過小導(dǎo)致。

3.4 方案設(shè)計與驗證

為加大飛輪齒根厚度，將齒根圓直徑由Φ280.67mm加大到Φ282.67，將飛輪齒圈內(nèi)徑由Φ274（0/-0.2）mm優(yōu)化為Φ273（0/-0.2）mm，飛輪配合面外徑由Φ274.4（0/-0.052）mm優(yōu)化為Φ273.4（0/-0.052）mm。從而可以算出，重合度不變，起動機小齒輪齒根與飛輪齒圈齒頂間隙為0.865mm，起動機小齒圈齒頂與飛輪齒圈齒根間隙為0.8mm，頂隙值仍滿足大于0.8mm要求。同時，承受飛輪齒圈過盈配合內(nèi)應(yīng)力的厚度增加到2.64mm，基本滿足要求。

對以上方案進(jìn)行飛輪齒圈拉應(yīng)力試驗，試驗表面抗拉應(yīng)力提升約為40%，同時進(jìn)行20萬次的發(fā)動機起停可靠性試驗，飛輪齒圈沒有發(fā)生斷裂情況。

4 結(jié)語

飛輪齒圈設(shè)計過程中，除了需要滿足一般的嚙合要求以及材料性能要求。往往在設(shè)計過程還需要同時考慮飛輪齒圈的受力情況，進(jìn)而對飛輪齒圈的相關(guān)尺寸進(jìn)行全面分析及驗證。

表1 起動機小齒輪與飛輪齒圈參數(shù)