楊雪

(上海柴油機股份有限公司，上海 200438)

0 引言

隨著現代發(fā)動機的動力性、環(huán)保性的不斷提高，對發(fā)動機零部件經濟性的要求也越來越高。飛輪殼是安裝在發(fā)動機與變速箱之間的零件，它外接曲軸箱、起動機、油底殼，內置飛輪總成，起到載體、防護和連接機體的作用。飛輪殼的主要功能是實現發(fā)動機與變速箱的有效聯(lián)接。因此，飛輪殼是發(fā)動機不可或缺的零件，而飛輪殼的鑄造工藝是決定飛輪殼生產成本及生產效率的關鍵因素。

目前，公司H系列柴油機所用的鋁制飛輪殼均為砂鑄工藝制造，該工藝生產效率低、成本較高且飛輪殼表面質量差。為提高飛輪殼表面質量和生產效率、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難點，并提出了合理的解決方案。通過采集車輛實際運行工況數據，利用計算機輔助工程(CAE)對飛輪殼改進方案進行模擬分析和優(yōu)化，對改進方案進行驗證，可大大提高設計成功率，對于設計工作具有非常實際的指導意義。

1 問題分析

SC7H系列發(fā)動機所有鋁質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沿軸向的連接端內圓周面；飛輪3安裝在飛輪殼2的內腔，變速箱1與飛輪殼2通過螺栓固定連接。

發(fā)動機的飛輪殼安裝止口尺寸按SAE標準設計[1]，現有砂鑄飛輪殼參見圖2。為了使飛輪具有更好的儲能效果，往往將飛輪的直徑設計得接近飛輪殼止口直徑。為保護飛輪的運行安全，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的內腔圓周面接近飛輪3或齒圈4的內徑更大，導致飛輪殼2的內徑內大外小，即與變速箱1的定位凸口9相配合的飛輪殼2的連接端的內徑小，而與飛輪齒圈4接近處的飛輪殼2的內徑大。飛輪殼內部空間內大外小的構型是無法通過壓鑄工藝來生產制造的，只能通過砂鑄工藝來實現生產。而砂鑄工藝過程復雜，需要預先制作相應結構的砂芯，待鑄造完成后還要將砂芯掏空，生產過程效率低，無法支持大規(guī)模生產。

圖1 砂鑄飛輪殼裝配軸向剖面圖

圖2 砂鑄飛輪殼結構示意圖

2 改進方案

改進后的加工方案如圖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 定位柱細節(jié)圖

參見圖3至圖6，改進后的飛輪殼采用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、且對應定位柱6的位置處開設螺紋孔8，相應的變速箱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，從而實現變速箱1與飛輪殼2之間的定位連接.

飛輪段62通過機加工保證其與飛輪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內腔圓周面的圓心相一致，從而保證飛輪3的正常運轉。對于飛輪段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。該生產制造過程相對簡單，能夠實現較大規(guī)模的生產，從而提高生產效率，降低生產成本。

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90萬元左右，但是單臺飛輪殼可降本470元左右，即單臺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需求的同時，也能降低成本，經濟優(yōu)勢也非常明顯。

3 CAE分析

通過對飛輪殼進行有限元計算，考慮機體-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，計算了飛輪殼的靜態(tài)強度及高周疲勞安全系數，基于靜態(tài)強度及高周疲勞安全系數[2]來評價飛輪殼的設計。

3.1 載荷與邊界條件

根據ADC12材料的數據設置最小安全系數≥1.1(考慮到加載離散度、計算精度及網格精度對疲勞安全系數計算結果的影響，計算的疲勞安全系數需達到1.1以上)。振動加速度取用AVL公司在10E機型飛輪殼結構強度計算報告中提供的數據。有限元分析的邊界條件，如相關零件的材料性能(見表1)、螺栓的擰緊扭矩、振動加速度、相關零件的質量參數(見表2)、懸置軟墊的剛度參數(見表3)。

表1 相關零件的材料性能

表2 有限元計算輸入參數

表3 懸置軟墊剛度參數

3.2 CAE分析結果

采用Abaques有限元軟件對飛輪殼進行了有限元分析。在進行有限元分析時，根據上述所給參數，對各螺栓施加相應的螺栓預緊力，各懸置支架在X、Y、Z方向分別設置懸置軟墊剛度，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)強度及高周疲勞安全系數。分析結果如下：

(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，產生的最大應力小于飛輪殼材料的抗拉強度，符合設計要求。

(2)飛輪殼高周疲勞安全系數最低為1.27>1.1(見圖7)，符合設計要求。

圖7 高周疲勞安全系數

4 試驗認證

飛輪殼設計方案雖然通過了有限元分析，從理論上驗證了飛輪殼設計方案的可行性，但最終仍需在試驗中進一步驗證其可靠性。首先根據設計數模對飛輪殼進行開模并制造飛輪殼樣件，然后對飛輪殼樣件進行全尺寸、材質、外觀檢測及發(fā)動機臺架耐久試驗考核，并且搭載整車進行耐久考核。

樣件飛輪殼通過搭載SC7H柴油機，按照GB/T 19055-2003 《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》進行四輪臺架800 h全速全負荷耐久試驗，試驗結束后，飛輪殼無裂紋、變形，試驗前后符合設計要求，通過臺架可靠性試驗。

同時，壓鑄飛輪殼搭載紅巖重卡完成了整車的磨合試驗及性能標定試驗，同時經過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 結論

根據現有飛輪殼的結構特點，采用12段同心圓弧代替圓周止口定位，成功設計出壓鑄飛輪殼，在提高飛輪殼的生產效率、降低物料成本的同時，也提高了飛輪殼的外觀質量。壓鑄飛輪殼的使用獲得了整車廠的好評，這也為其他類似產品的設計提供了參考。