汽車發動機減振皮帶輪螺栓脫落的分析

□ 尹建東 □ 陳麗霞 □ 席洪亮 □ 白小婷

寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江寧波 315336

1 存在的問題

減振皮帶輪是汽車發動機的重要零部件,作用是消除或減小曲軸的扭轉振動,安裝在汽車發動機曲軸前端,又稱曲軸減振器。減振皮帶輪使曲軸扭轉振動能量逐漸消耗于摩擦,進而使振幅逐漸減小。減振皮帶輪同時是汽車發動機帶動發電機、壓縮機等附件的樞紐,通過螺栓緊固在曲軸上,需要保證螺栓緊固,不脫離。

某汽車發動機在臺架共振耐久試驗運行至90 h時因異響停機,計劃運行120 h。檢查發現汽車發動機前端減振皮帶輪上的一顆大螺栓丟失。減振皮帶輪螺栓安裝位置如圖1所示。

2 原因分析

減振皮帶輪零部件裝配關系如圖2所示,零部件分解如圖3所示。減振皮帶輪通過一顆大螺栓與曲軸裝配緊固,正時皮帶輪通過四顆小螺栓與減振皮帶輪緊固。

拆解四顆小螺栓,小螺栓的點漆標志未發生變化,螺紋保持完整,未發現異常。拆解力矩也未見異常,要求為30±5 N·m,實測為30～31 N·m。

拆解正時皮帶輪,發現花鍵齒部分已經磨損消失,說明正時皮帶輪內側花鍵與曲軸花鍵配合存在嚴重的相對運動,導致花鍵配合部位嚴重磨損。正時皮帶輪花鍵如圖4所示。

檢查發現,正時皮帶輪端面與曲軸貼合部位存在磨損。對磨損痕跡進行檢測,磨損深度約0.5 mm。由此說明汽車發動機在運轉過程中,正時皮帶輪與曲軸未貼合,存在相對運動,導致正時皮帶輪端面產生磨損。正時皮帶輪端面如圖5所示。

對減振皮帶輪進行外觀狀態確認,發現減振皮帶輪安裝面與正時皮帶輪配合部位存在花鍵磨損痕跡,說明減振皮帶輪安裝面存在異常運動。減振皮帶輪磨損如圖6所示。

拆解曲軸,發現曲軸花鍵齒有磨損痕跡,頭部磨損嚴重,說明正時皮帶輪在配合過程中存在轉圈情況。對曲軸前端螺栓孔內螺紋采用內窺鏡檢查,確認保持完整,未發現異常。曲軸花鍵齒磨損如圖7所示。

同批次曲軸花鍵齒形、齒相、齒頂圓、跨棒距、齒厚、螺旋角均符合圖紙要求,軸肩至花鍵頂端軸向距離要求為47±0.7 mm,實測為47.42 mm。曲軸與正時皮帶輪接觸面粗糙度Ra要求為不大于6.3 μm,實測為1.8 μm。曲軸螺紋規格、配合孔徑端面硬度及粗糙度檢測均滿足要求。

減振皮帶輪螺紋孔尺寸、端面跳動、平面度、配合孔徑端面硬度及粗糙度檢測均滿足要求,無異常。

正時皮帶輪內孔小徑、內孔大徑、內孔跨棒距、內齒粗糙度、端面粗糙度、端面硬度、使用段密度等均滿足要求,端面在許用擠壓應力下未發生塑性變形,彈性變形量為2.114 1 mm。

通過壓力機對正時皮帶輪進行壓力測試,如圖8所示。對正時皮帶輪施加200 kN壓力,正時皮帶輪未發生壓潰,如圖9所示。正時皮帶輪壓潰強度在700 MPa以上,測試后探傷檢查未發現裂紋,滿足要求。

對汽車發動機還進行了BSG(Belt-Driven Starter Generator)沖擊扭矩測試,數據比較平穩,不存在沖擊扭矩。

減振皮帶輪與曲軸裝配緊固的大螺栓使用屈服法擰緊,通過超聲設備進行螺栓伸長評價。擰緊力矩為110 N·m,旋轉90°。對螺栓軸向力要求為65 kN～94 kN,實測為90.02 kN～90.34 kN,滿足要求。螺栓伸長檢測數據如圖10所示,所有螺栓伸長均達到屈服狀態。

對減振皮帶輪與曲軸裝配緊固的大螺栓的抗拉強度進行檢測,標準要求不低于1 040 MPa,實測為1 146 MPa～1 153 MPa。對螺栓端面摩擦因數進行評價,螺栓表面處理為達克羅涂層,評價結果滿足要求,沒有異常情況。

基于正時皮帶輪花鍵承受的扭矩進行計算。螺栓預緊力為64.94 kN,正時皮帶輪與曲軸接觸面等效摩擦半徑為16 mm,摩擦因數為0.15,正時皮帶輪壓裝力為10 kN,計算得到可傳遞摩擦扭矩為131.9 N·m。汽車發動機運轉中需要傳遞的最大摩擦扭矩為188.1 N·m。正時皮帶輪與曲軸接觸面如圖11所示。

通過以上分析,汽車發動機運轉過程中,最大傳遞摩擦扭矩的傳遞安全因數為0.7,而安全因數要求大于1.1,不滿足要求。由此可見,正時皮帶輪與曲軸接觸面之間存在傳遞摩擦力矩不足的風險,導致了減振皮帶輪螺栓脫落。

3 整改措施

為增大最大傳遞摩擦扭矩的傳遞安全因數,可以增大正時皮帶輪端面摩擦因數。在正時皮帶輪端面增加激光刻蝕,使正時皮帶輪端面摩擦因數由0.15增大至0.3,可傳遞摩擦扭矩提高為263.8 N·m。正時皮帶輪端面摩擦因數增大后,最大傳遞摩擦扭矩的傳遞安全因數增大為1.4,滿足要求。

整改后對汽車發動機進行了多輪臺架共振耐久試驗,均沒有出現減振皮帶輪螺栓脫落問題,確認整改措施有效。

4 結束語

針對汽車發動機減振皮帶輪螺栓脫落問題,在正時皮帶輪端面增加激光刻蝕,增大正時皮帶輪端面摩擦因數,增大傳遞摩擦扭矩的能力,效果良好。后續建議在類似連接配合結構設計中對傳遞摩擦扭矩等相關參數進行詳細校核,進而保證設計的可靠性。