大功率發動機飛輪疲勞開裂研究

費運嘉

摘要：發動機飛輪的主要功用是用來貯存作功行程的能量，用于克服進氣、壓縮、排氣行程的阻力和其它阻力，使曲軸能均勻地旋轉。飛輪在整個發動機系統中扮演著重要的角色，如果飛輪發生開裂的失效，引起發動機致命失效，并且飛輪的嚴重開裂失效可能會引發安全事故。我們針對大功率發動機的飛輪開裂的問題進行了全面的開裂機理分析，并根據分析結果提出了整改措施，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.

關鍵詞：飛輪;應力集中;開裂

Key words： flywheel;stress concentration;cracking

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

0? 引言

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

1? 問題描述

在公司最新研發的發動機項目中，第一批A樣機的飛輪、飛輪螺栓及曲軸齒輪均為國內知名廠家提供，在進行首輪耐久試驗的過程中發現飛輪螺栓與飛輪壓緊面的周圍區域以及飛輪與曲軸齒輪接合面周圍區域均發生開裂現象，具體開裂位置見圖1及圖2標識處。

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行檢驗。該飛輪選用行業內通用的灰鐵250材料。對失效零部件解剖取樣進行金相檢驗，檢驗結果（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。

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

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

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

針對該疑點，進行了模擬計算分析，模擬的條件為飛輪螺栓按照規定扭矩擰緊后，飛輪各區域的應力分布（圖6），結果表明在飛輪螺栓安裝面外圓周區域圓角處，應力高達558MPa，遠遠超過灰鐵250的應力承受極限（灰鐵250應力承受極限為：圓角處366.3MPa，平面250MPa）。在飛輪與曲軸齒輪的配合面外圓周區域圓角處，應力高達1550MPa，遠遠超過灰鐵250的應力承受極限。

同時圖1的螺栓孔之間表面裂紋產生區域的應力為330-350MPa，已經超過了HT250材料在平面區域內的應力允許值。

至此基本明確了問題的原因，由于初始設計中，飛輪螺栓安裝面的外圓周區域圓角設計過小，導致螺栓擰緊后，該區域應力集中，在發動機運轉過程中發生疲勞開裂現象;在飛輪與曲軸齒輪的配合面，由于飛輪設計的空間局限性，飛輪安裝軸與接合面過渡圓角過小，引起應力集中問題，在發動機運轉過程中發生疲勞開裂現象;螺紋孔之間的表面裂紋的產生原因為螺栓的等級過高，擰緊后對飛輪表面的壓緊力過大所致。

3? 優化措施

明確問題原因后，針對失效發生的原因進行了分析，通過以下幾點進行優化：

①調整飛輪螺栓安裝面外圓周區域圓角大小;

②將安裝在飛輪上的變速器第一軸承更換為外徑更小、內徑一致的產品，給飛輪與曲軸齒輪結合面的優化讓出空間，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域應力過高的問題。

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

進行上述優化更改分析之后，隨即進行了實物的臺架實驗，該產品現已完成相關的臺架及道路實驗，并已經推向市場，飛輪開裂的現象沒有再次發生，結果顯示該問題已經得到妥善的解決。

經過綜合分析，發現飛輪的結構設計在發動機的設計中非常重要，在發動機設計的前期要對飛輪的相關結構以及材料進行模擬計算分析，避免類似問題再次發生。

參考文獻：

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