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）將活塞往復運動轉(zhuǎn)化成曲軸和飛輪的旋轉(zhuǎn)運動并將能量進行儲存；（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，導致因飛輪齒圈與飛輪本體過盈量的存在而產(chǎn)生內(nèi)應力，內(nèi)應力大小主要受過盈量大小變化而變化。過盈配合的內(nèi)應力飛遠遠小于輪齒圈受起動機的驅(qū)動沖擊力，并且內(nèi)應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)應力，在外部嚙合應力放大時，與過盈的內(nèi)應力相互作用，最終會導致飛輪齒圈斷裂。

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行淬火處理，淬火后硬度為HRC（49~55）。對飛輪齒圈齒頂硬度進行檢測，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)應力，飛輪齒根還需要滿足一定厚度要求。對以上數(shù)據(jù)進行分析計算，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)應力的厚度約為1.14mm。此厚度值已小遠常規(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)應力的厚度增加到2.64mm，基本滿足要求。

對以上方案進行飛輪齒圈拉應力試驗，試驗表面抗拉應力提升約為40%，同時進行20萬次的發(fā)動機起?？煽啃栽囼灒w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，進而對飛輪齒圈的相關(guān)尺寸進行全面分析及驗證。

表1 起動機小齒輪與飛輪齒圈參數(shù)