楊雪

(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

隨著現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、環(huán)保性的不斷提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件經(jīng)濟(jì)性的要求也越來越高。飛輪殼是安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間的零件，它外接曲軸箱、起動(dòng)機(jī)、油底殼，內(nèi)置飛輪總成，起到載體、防護(hù)和連接機(jī)體的作用。飛輪殼的主要功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱的有效聯(lián)接。因此，飛輪殼是發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的零件，而飛輪殼的鑄造工藝是決定飛輪殼生產(chǎn)成本及生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。

目前，公司H系列柴油機(jī)所用的鋁制飛輪殼均為砂鑄工藝制造，該工藝生產(chǎn)效率低、成本較高且飛輪殼表面質(zhì)量差。為提高飛輪殼表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低成本，壓鑄工藝逐漸被提上日程。通過分析，找出了飛輪殼采用壓鑄工藝遇到的技術(shù)難點(diǎn)，并提出了合理的解決方案。通過采集車輛實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)對(duì)飛輪殼改進(jìn)方案進(jìn)行模擬分析和優(yōu)化，對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，可大大提高設(shè)計(jì)成功率，對(duì)于設(shè)計(jì)工作具有非常實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 問題分析

SC7H系列發(fā)動(dòng)機(jī)所有鋁質(zhì)飛輪殼均為砂鑄工藝制造，飛輪被飛輪殼包圍并置于其中，飛輪殼與變速箱連接在一起。飛輪殼與變速箱的連接一般通過止口定位連接，參見圖1。圖1中箭頭C所指處即為止口定位連接，包括變速箱1連接端處的定位凸口9和飛輪殼2連接端的定位凹口，定位凸口9為變速箱1沿軸向的連接端凸口外圓周面，定位凹口為飛輪殼2沿軸向的連接端內(nèi)圓周面；飛輪3安裝在飛輪殼2的內(nèi)腔，變速箱1與飛輪殼2通過螺栓固定連接。

發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪殼安裝止口尺寸按SAE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[1]，現(xiàn)有砂鑄飛輪殼參見圖2。為了使飛輪具有更好的儲(chǔ)能效果，往往將飛輪的直徑設(shè)計(jì)得接近飛輪殼止口直徑。為保護(hù)飛輪的運(yùn)行安全，需保證飛輪3有足夠的工作空間，其外圓周面且飛輪齒圈4與飛輪殼2的內(nèi)腔圓周面之間有足夠的間距(圖1中箭頭A所指處)。在用飛輪殼2的內(nèi)腔圓周面接近飛輪3或齒圈4的內(nèi)徑更大，導(dǎo)致飛輪殼2的內(nèi)徑內(nèi)大外小，即與變速箱1的定位凸口9相配合的飛輪殼2的連接端的內(nèi)徑小，而與飛輪齒圈4接近處的飛輪殼2的內(nèi)徑大。飛輪殼內(nèi)部空間內(nèi)大外小的構(gòu)型是無法通過壓鑄工藝來生產(chǎn)制造的，只能通過砂鑄工藝來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。而砂鑄工藝過程復(fù)雜，需要預(yù)先制作相應(yīng)結(jié)構(gòu)的砂芯，待鑄造完成后還要將砂芯掏空，生產(chǎn)過程效率低，無法支持大規(guī)模生產(chǎn)。

圖1 砂鑄飛輪殼裝配軸向剖面圖

圖2 砂鑄飛輪殼結(jié)構(gòu)示意圖

2 改進(jìn)方案

改進(jìn)后的加工方案如圖3～圖6所示。

圖3 壓鑄飛輪殼裝配軸向剖面圖

圖4 壓鑄飛輪殼示意圖

圖5 飛輪殼與變速箱配合徑向剖面圖

圖6 定位柱細(xì)節(jié)圖

參見圖3至圖6，改進(jìn)后的飛輪殼采用12根沿圓周均勻分布的定位柱6。毛坯狀態(tài)下的定位柱6為半圓柱，定位柱6與飛輪殼2通過壓鑄工藝一體成型。所述飛輪殼2連接端的徑向端面上、且對(duì)應(yīng)定位柱6的位置處開設(shè)螺紋孔8，相應(yīng)的變速箱1的連接端通過螺栓7與所述螺紋孔8連接，將飛輪殼2與變速箱1連接固定。成品飛輪殼的定位柱6由定位段61和飛輪段62組成。

定位段61通過機(jī)加工保證其尺寸(止口尺寸)，定位段61加工后為圓弧面，該圓弧面的弧心與所述定位凸口9的圓心相一致，從而實(shí)現(xiàn)變速箱1與飛輪殼2之間的定位連接.

飛輪段62通過機(jī)加工保證其與飛輪3的飛輪本體及飛輪齒圈4之間保持一定的間距，飛輪段62加工后為弧面，該弧面的弧心與飛輪殼2內(nèi)腔圓周面的圓心相一致，從而保證飛輪3的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于飛輪段62的切削加工，在極端情況下，可以將飛輪段62切削成與飛輪殼2的內(nèi)腔圓周面一致的弧面，這樣可以給飛輪3和飛輪齒圈4留出足夠大的工作空間。該生產(chǎn)制造過程相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)較大規(guī)模的生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

公司H系列1#砂鑄飛輪殼改壓鑄飛輪殼，需要重新開模，模具費(fèi)90萬(wàn)元左右，但是單臺(tái)飛輪殼可降本470元左右，即單臺(tái)砂鑄飛輪殼成本是壓鑄飛輪殼的近兩倍。H系列飛輪殼需求量大，壓鑄飛輪殼效率高，在可滿足飛輪殼性能和裝機(jī)需求的同時(shí)，也能降低成本，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)也非常明顯。

3 CAE分析

通過對(duì)飛輪殼進(jìn)行有限元計(jì)算，考慮機(jī)體-飛輪殼-變速箱組件的裝配螺栓力、加速度、懸置軟墊剛度、變速箱名義扭矩和誤操作最大扭矩等參數(shù)，計(jì)算了飛輪殼的靜態(tài)強(qiáng)度及高周疲勞安全系數(shù)，基于靜態(tài)強(qiáng)度及高周疲勞安全系數(shù)[2]來評(píng)價(jià)飛輪殼的設(shè)計(jì)。

3.1 載荷與邊界條件

根據(jù)ADC12材料的數(shù)據(jù)設(shè)置最小安全系數(shù)≥1.1(考慮到加載離散度、計(jì)算精度及網(wǎng)格精度對(duì)疲勞安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算的疲勞安全系數(shù)需達(dá)到1.1以上)。振動(dòng)加速度取用AVL公司在10E機(jī)型飛輪殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告中提供的數(shù)據(jù)。有限元分析的邊界條件，如相關(guān)零件的材料性能(見表1)、螺栓的擰緊扭矩、振動(dòng)加速度、相關(guān)零件的質(zhì)量參數(shù)(見表2)、懸置軟墊的剛度參數(shù)(見表3)。

表1 相關(guān)零件的材料性能

表2 有限元計(jì)算輸入?yún)?shù)

表3 懸置軟墊剛度參數(shù)

3.2 CAE分析結(jié)果

采用Abaques有限元軟件對(duì)飛輪殼進(jìn)行了有限元分析。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，根據(jù)上述所給參數(shù)，對(duì)各螺栓施加相應(yīng)的螺栓預(yù)緊力，各懸置支架在X、Y、Z方向分別設(shè)置懸置軟墊剛度，變速箱施加最大名義扭矩及誤操作扭矩，分析模型在X、Y、Z方向分別施加7 m/s2、11.76 m/s2、34.3 m/s2加速度下的靜態(tài)強(qiáng)度及高周疲勞安全系數(shù)。分析結(jié)果如下：

(1)飛輪殼在分別施加X方向加速度(±7 m/s2)、Y方向加速度(±11.76 m/s2)、Z方向加速度(±34.3 m/s2～9.8 m/s2)和一檔扭矩(11 823 Nm)、倒檔扭矩(-12 054 Nm)以及誤操作最大扭矩(25 000 Nm)等不同工況條件下裝配時(shí)，產(chǎn)生的最大應(yīng)力小于飛輪殼材料的抗拉強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求。

(2)飛輪殼高周疲勞安全系數(shù)最低為1.27>1.1(見圖7)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 高周疲勞安全系數(shù)

4 試驗(yàn)認(rèn)證

飛輪殼設(shè)計(jì)方案雖然通過了有限元分析，從理論上驗(yàn)證了飛輪殼設(shè)計(jì)方案的可行性，但最終仍需在試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性。首先根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)模對(duì)飛輪殼進(jìn)行開模并制造飛輪殼樣件，然后對(duì)飛輪殼樣件進(jìn)行全尺寸、材質(zhì)、外觀檢測(cè)及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)考核，并且搭載整車進(jìn)行耐久考核。

樣件飛輪殼通過搭載SC7H柴油機(jī)，按照GB/T 19055-2003 《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》進(jìn)行四輪臺(tái)架800 h全速全負(fù)荷耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，飛輪殼無裂紋、變形，試驗(yàn)前后符合設(shè)計(jì)要求，通過臺(tái)架可靠性試驗(yàn)。

同時(shí)，壓鑄飛輪殼搭載紅巖重卡完成了整車的磨合試驗(yàn)及性能標(biāo)定試驗(yàn)，同時(shí)經(jīng)過100 000 km耐久考核后，飛輪殼未有任何故障，通過了整車耐久考核。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有飛輪殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用12段同心圓弧代替圓周止口定位，成功設(shè)計(jì)出壓鑄飛輪殼，在提高飛輪殼的生產(chǎn)效率、降低物料成本的同時(shí)，也提高了飛輪殼的外觀質(zhì)量。壓鑄飛輪殼的使用獲得了整車廠的好評(píng)，這也為其他類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了參考。