發(fā)動機依靠驅(qū)動齒輪與發(fā)動機飛輪盤外緣的飛輪齒圈相互嚙合來傳遞動力，進(jìn)而啟動發(fā)動機。在發(fā)動機實際運行過程中，受設(shè)計、加工或裝配等因素的影響，可能會出現(xiàn)齒輪嚙合不佳的情況，或者由于齒根強度不足而引起斷齒、磨齒等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致發(fā)動機故障。因此，深入分析飛輪齒圈斷裂原因，并提出有效的改進(jìn)措施，具有重要的現(xiàn)實意義。
本文以某款2. 8 L柴油發(fā)動機的飛輪齒圈為研究對象，針對其斷齒問題，采用故障樹分析(FTA)法，從材料化學(xué)成分、硬度、金相組織、斷口以及齒圈強度等多個方面進(jìn)行詳細(xì)檢測和分析，以期探明飛輪齒圈斷齒的根本原因，并為改進(jìn)設(shè)計和制造工藝提供科學(xué)依據(jù)，從而有效提高飛輪齒圈的可靠性和耐久性，確保發(fā)動機穩(wěn)定運行。
一、故障現(xiàn)象
根據(jù)2. 8 L發(fā)動機的市場故障信息統(tǒng)計，近3年來，飛輪齒圈頻繁出現(xiàn)斷齒故障，如圖1所示。出現(xiàn)斷齒情況的發(fā)動機行駛里程均在1萬km以內(nèi)，屬于早期失效。由圖1可見，飛輪摩擦面無異常磨損和燒蝕，其背面也無異常狀況;齒圈中有1個齒從根部斷裂，其相鄰的2個齒有輕微磨損，其余齒面無磨損。
二、原因分析
飛輪齒圈的材料為45號鋼，供應(yīng)商的制造工藝流程如圖2所示。為查找齒圈斷齒原因，采用二分法進(jìn)行FTA，如圖3所示。
通過FTA可系統(tǒng)梳理可能導(dǎo)致斷齒的各類因素及其邏輯關(guān)系，有助于針對性實施相應(yīng)改進(jìn)措施，從根源上徹底解決飛輪齒圈斷齒問題，進(jìn)而保障發(fā)動機正常運行。
通過實施飛輪齒圈齒形檢測、發(fā)動機與齒圈匹配評估、發(fā)動機功能功率扭矩參數(shù)調(diào)研，以及故障發(fā)動機軸系檢查等一系列工作，排除齒圈本身存在應(yīng)力集中和發(fā)動機沖擊載荷過大，致使齒圈受異常外力而斷齒的可能。為深入查明斷齒原因，本研究進(jìn)一步從故障齒圈的材料理化性能、熱處理和理論強度校核等方面進(jìn)行排查。
齒圈理化性能檢測
對2個故障齒圈材料成分進(jìn)行檢測，飛輪齒圈故障件化學(xué)成分見表1。由表1可以看出：各種元素的材料成分均符合45號鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。
飛輪齒圈齒頂需進(jìn)行淬火處理以保證有足夠硬度與發(fā)動機小齒輪嚙合，要求淬火后齒面洛氏硬度為50～55 HRC。對故障飛輪齒圈硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2。
由表2可以看出：飛輪齒圈故障件的硬度檢測結(jié)果均滿足要求。齒圈硬化層分布對飛輪齒圈的使用壽命至關(guān)重要，飛輪齒圈淬火硬化時需淬透齒面且齒根要有一定硬化深度。若齒根未被有效硬化，則齒面淬透處會產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，齒根產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，這個殘余拉應(yīng)力會明顯降低齒根處的彎曲疲勞強度，從而降低齒圈的使用壽命。當(dāng)硬化層沿齒面分布(齒根未硬化)時，齒輪的彎曲疲勞強度僅為硬化層沿齒廓分布(齒根硬化)時的50%左右。根據(jù) JB 4187—1986 《汽車發(fā)動機飛輪齒圈技術(shù)條件》，齒槽底部硬化層深度不應(yīng)小于0. 5 mm。為保證淬火有效性，淬火硬化層深度要超過飛輪齒圈齒根0. 5～3. 0 mm 。由表2可知，雖然淬硬層沿齒面均勻分布，但是齒根處硬化深度不達(dá)標(biāo)，發(fā)生斷齒的2. 8 L發(fā)動機飛輪齒圈淬硬層深度未覆蓋至齒槽以下，故不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。綜上，該失效飛輪齒圈沿齒根整齒折斷與齒根硬化深度不夠進(jìn)而導(dǎo)致齒圈彎曲疲勞強度不足存在因果關(guān)系。
齒根是齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，過渡圓角曲率半徑大小直接影響齒根應(yīng)力集中程度，過渡圓角越小，應(yīng)力集中程度越強。按照GB/T 1356—2001《通用機械和重型機械用圓柱 齒輪 標(biāo)準(zhǔn)基本齒條齒廓》要求，齒根過渡圓角半徑≥0. 38m(m為齒圈模數(shù)，本文齒圈模數(shù)為2. 75)。2. 8 L發(fā)動機飛輪齒圈的齒根過渡圓角設(shè)計值為1. 0～1. 5 mm，基本符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求(≥1. 045 mm)。
斷口分析
對故障齒圈進(jìn)行斷口分析，并查找失效原因，結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知：斷口于齒根處斷裂，由一側(cè)向另一側(cè)呈剪切斷裂，斷口左右兩側(cè)存在顯著的剪切滑移痕跡，斷口中心呈反光小刻面特征。該宏觀形貌屬于典型的兩邊韌性斷裂、中間脆性斷裂。由圖4(b)和圖4(c)可知：起斷區(qū)呈現(xiàn)韌窩形貌，且未發(fā)現(xiàn)夾雜等缺陷;中間區(qū)域為韌窩形貌，韌窩為拉長韌窩，與斷裂方向平行;止斷區(qū)形貌與中間區(qū)域形貌一致，整體形貌表現(xiàn)為材料拉伸滑移，且滑移方向與應(yīng)力方向一致。
有限元分析
起動機齒輪材料為20CrMnTi，飛輪齒圈材料為 45號鋼，材料參數(shù)見表3。對飛輪齒圈進(jìn)行有限元分析，模型截取飛輪齒圈和發(fā)動機齒輪數(shù)模，導(dǎo)入Ansys Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對接觸齒輪嚙合部分進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化(網(wǎng)格尺寸為0. 2 mm)，劃分好的有限元模型如圖5所示。
在 Ansys Workbench 中根據(jù)表 3 賦予相應(yīng)材料后，將齒輪嚙合面設(shè)置摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0. 15;約束飛輪齒圈內(nèi)圓所有自由度;放開發(fā)動機齒輪軸繞軸線的旋轉(zhuǎn)自由度，同時約束其他方向自由度;在發(fā)動機驅(qū)動齒輪(小齒輪)上加載12 N·m扭矩，查看飛輪齒圈應(yīng)力變化情況，結(jié)果如圖6所示。
由圖6可知：靜態(tài)條件下，飛輪齒圈齒根處最大綜合米塞斯應(yīng)力為165. 77 MPa;而在動載條件下，齒圈根部過渡圓角處的最大彎曲應(yīng)力為681 MPa。飛輪齒圈材料為45號鋼，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》可得：淬火后的 45 號鋼抗拉強度(1 710 MPa)>齒根圓角彎曲應(yīng)力(681 MPa)>非淬火 45 號鋼抗拉強度(600 MPa)。從上述分析可知，如果飛輪齒圈存在未淬透的齒根，如遇較大動載時，便會存在斷裂風(fēng)險。
三、改進(jìn)措施
結(jié)合理化性能檢測、斷口分析和有限元分析結(jié)果，失效齒圈沿齒根整齒折斷，與齒根無硬化層而導(dǎo)致的彎曲疲勞強度不足有直接關(guān)系。為此提出改進(jìn)措施：① 將齒圈淬火深度加深至齒根圓以下1～ 2 mm;② 齒根過渡圓角半徑從原來的1. 0～1. 5 mm 加嚴(yán)至1. 3～1. 5 mm。隨后將上述2項改進(jìn)建議通過圖紙予以固化，并下發(fā)供應(yīng)商嚴(yán)格執(zhí)行。圖 7(a)為改進(jìn)后的飛輪齒圈，經(jīng)檢測其齒根淬硬層厚度為1. 7 mm，齒面淬硬層深度為 7. 8 mm;圖 7(b)、(c)為抽檢改進(jìn)后飛輪齒圈的金相組織檢測云圖，其中淬硬層為馬氏體組織，過渡區(qū)為回火馬氏體+屈氏體+鐵素體。為進(jìn)一步驗證改進(jìn)效果，對齒圈開展齒向疲勞試驗和齒沖擊試驗。試驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的飛輪齒圈未出現(xiàn)裂紋和斷裂，各項指標(biāo)均合格。
通過市場反饋信息可知，改進(jìn)后的飛輪齒圈在實際使用中未再發(fā)生斷齒情況。
四、結(jié)語
在飛輪齒圈的設(shè)計過程中，除滿足相應(yīng)的嚙合要求及材料性能要求外，一些影響齒圈性能的關(guān)鍵參數(shù)和尺寸需固化到圖紙上，供應(yīng)商在齒圈制作過程中需嚴(yán)格按照圖紙執(zhí)行生產(chǎn)。同時，在設(shè)計過程中還需考慮飛輪齒圈實際受力情況，及時對飛輪齒圈進(jìn)行全面分析及驗證。
本文針對 2. 8 L發(fā)動機飛輪齒圈頻繁出現(xiàn)斷齒故障展開研究。通過對故障現(xiàn)象的觀察，發(fā)現(xiàn)斷齒發(fā)動機行駛里程短，屬于早期失效，且飛輪齒圈特定齒位呈現(xiàn)斷裂與磨損特征。運用FTA法系統(tǒng)梳理導(dǎo)致斷齒的因素，經(jīng)一系列排查后，從齒圈理化性能、斷口、有限元分析等方面進(jìn)行深入探究，結(jié)果如下：理化性能檢測表明，材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)，但齒根硬化深度不達(dá)標(biāo);斷口分析顯示為兩邊韌性斷裂、中間脆性斷裂特征;有限元分析得出齒根處應(yīng)力情況，揭示未淬透齒根遇較大動載存在斷裂風(fēng)險。為此，采取將齒圈淬火深度加深至齒根圓以下 及加嚴(yán)齒根過渡圓角半徑的改進(jìn)措施。改進(jìn)后的齒圈經(jīng)檢測與試驗，各項指標(biāo)合格，再未出現(xiàn)斷齒情況。
作者簡介：辛雪軍(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為整車與發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度及NVH分析。
參考文獻(xiàn)略.