陳楠 馬東元 黃旭 許偉利 張偉

中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 天津市 300400

研制和生產(chǎn)高精度、高性能的汽車配件，是我國(guó)汽車工業(yè)走自主研發(fā)道路的基礎(chǔ)。受到工作特性的影響，撓性飛輪必須具有較強(qiáng)剛度、強(qiáng)度，以及穩(wěn)定性和耐疲勞性。在設(shè)計(jì)階段，要求撓性飛輪的各項(xiàng)指標(biāo)必須滿足要求，才能保證生產(chǎn)出來的產(chǎn)品順利通過質(zhì)量檢驗(yàn)。建立撓性飛輪的數(shù)學(xué)模型，并利用Ansys 軟件對(duì)該模型進(jìn)行有限元計(jì)算分析，在此基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證撓性飛輪試件的軸向剛度值、抗疲勞能力等是否滿足使用標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上杜絕試件質(zhì)量缺陷，為撓性飛輪的批量化生產(chǎn)提供幫助。

1 撓性飛輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)

1.1 性能指標(biāo)

撓性飛輪設(shè)計(jì)制造中要關(guān)注的性能指標(biāo)有：（1）動(dòng)力總成從0 增加至1.2×104rpm，在該轉(zhuǎn)速下維持2min，檢查并確認(rèn)表面無變形、裂紋等情況；（2）在焊點(diǎn)施加不低于50kN 的力，檢查表面不出現(xiàn)裂紋；（3）選擇曲軸連接中心孔為基準(zhǔn)，開展動(dòng)平衡試驗(yàn)，剩余不平衡量控制在10g·cm 以內(nèi)；（4）分別在變矩器和曲軸的外側(cè)，向內(nèi)提供一個(gè)頻率為14-16Hz、大小為6000N 的軸向力，進(jìn)行400 萬次循環(huán)，檢查撓性飛輪表面無裂紋，變矩器和曲軸的相對(duì)軸向位移不超過0.8mm。（5）淬火后使用磁力探傷方法，沒有裂紋。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

撓性飛輪設(shè)計(jì)制造中要關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)有：（1）在滿功率運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)齒圈外圓跳動(dòng)不得超過0.5mm，盤體平行度不得超過0.4mm，盤面與曲軸貼合面之間保持平行，最大誤差不得超過0.2mm；（2）可靠性試驗(yàn)中，撓性飛輪的磨損量、性能下降率等應(yīng)符合技術(shù)要求。盤體各圓角之間無毛刺、棱角，保證光滑過渡；（3）超速試驗(yàn)中，使撓性飛輪轉(zhuǎn)速高于1.2×104rpm，持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)2min，試驗(yàn)結(jié)束后無裂紋、變形情況；（4）扭矩疲勞試驗(yàn)中，分別在驅(qū)動(dòng)盤的變矩器和曲軸外側(cè)提供一個(gè)頻率為14-16Hz、扭矩為1500Nm 的荷載，循環(huán)400 萬次，試驗(yàn)結(jié)束后無裂紋、變形情況。

2 撓性飛輪總成有限元計(jì)算分析

2.1 疲勞分析

撓性飛輪在工作一定時(shí)間后，因?yàn)槭艿秸駝?dòng)、軸向力和循環(huán)載荷等多種因素的影響，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，并發(fā)生破壞的情況，這種現(xiàn)象即為零件疲勞。隨著使用年限的增加，原始材料首先萌生宏觀裂紋，并且裂紋會(huì)不斷的發(fā)育。期間可通過損傷檢測(cè)（如超聲波探傷、磁粉探傷等）技術(shù)直觀地了解裂紋的分布、尺寸等信息。如果未采取有效的措施，裂紋發(fā)育到一定程度后，會(huì)出現(xiàn)零件斷裂的現(xiàn)象。零件疲勞的發(fā)展過程如圖1 所示。

圖1 零件疲勞的發(fā)展過程及其研究方法

另外，零件材料的類型也是疲勞分析中必須要關(guān)注的因素之一，例如，某撓性飛輪的盤體腹板材料為QSsE460、齒圈材料為45鋼，則根據(jù)材料的疲勞特性參數(shù)，撓性飛輪的疲勞極限分別為：（1）對(duì)稱彎曲疲勞極限為210-340MPa；（2）對(duì)稱拉亞疲勞極限170-400MPa；（3）扭轉(zhuǎn)剪切疲勞極限120-200MPa。

2.2 剛度分析

在撓性飛輪強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的前提下，剛度應(yīng)盡可能的小，這樣才能保證撓性飛輪在受到軸向扭轉(zhuǎn)力、軸向攢動(dòng)力的作用后，不會(huì)發(fā)生明顯的軸向位移，維持穩(wěn)定運(yùn)行。剛度分析分為2 個(gè)步驟：首先是增加一個(gè)螺栓預(yù)緊力，大小為30kN，該力的作用點(diǎn)為螺栓光桿面上的任意一點(diǎn)。按照分步加載的方式，第一次加載至10kN，第二次為24kN，第三次為30kN。加載完成后，再進(jìn)行第二步，在盤體腹板和液力變矩器的連接位置，增加一個(gè)鎖緊裝置，提供約束力。通過外部約束使軸向位移0.5mm。此時(shí)撓性飛輪會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用力，測(cè)量反力結(jié)果如圖2 所示。

圖2 剛度分析結(jié)果

結(jié)合圖2 數(shù)據(jù)，在根據(jù)反力（2894.5N）與施加位移（0.5mm）的比值關(guān)系，能夠求出總成剛度值，則該撓性飛輪的總成剛度為5789N/mm。

3 撓性飛輪力學(xué)性能的試驗(yàn)探究

通過有限元計(jì)算分析，對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，最終可以得到各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求的撓性飛輪模型。參照該模型，選擇相應(yīng)的材料制作試件，然后在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證撓性飛輪試件的各項(xiàng)性能。試驗(yàn)項(xiàng)目包括剛度試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、動(dòng)平衡試驗(yàn)、齒疲勞試驗(yàn)等。本文選擇齒疲勞試驗(yàn)和剛度試驗(yàn)展開簡(jiǎn)要分析。

3.1 齒圈齒疲勞試驗(yàn)

齒圈是一類傳動(dòng)零件，為保證傳動(dòng)效率需要齒圈上的每個(gè)單齒都要滿足強(qiáng)度要求，避免因?yàn)辇X疲勞出現(xiàn)打滑、傳動(dòng)失效等問題。開展齒疲勞試驗(yàn)，提供3500kN 的啟動(dòng)力，如果齒圈經(jīng)過400 萬次沖擊后，每個(gè)單齒經(jīng)過磁粉探傷后顯示均不存在裂紋，即為合格。齒疲勞試驗(yàn)在嚙合試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)流程如下：（1）試驗(yàn)開始前檢查電源情況和設(shè)備連接情況，確認(rèn)無誤后啟動(dòng)電機(jī)。操作試驗(yàn)臺(tái)將試驗(yàn)齒圈與驅(qū)動(dòng)盤樣件齒圈對(duì)準(zhǔn)、嚙合。調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)一側(cè)的“壓緊”旋鈕，將試件固定后，在控制電腦上設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)，如軸心距120mm、分度圓直徑26mm、負(fù)載3500kN等。參數(shù)設(shè)置完畢后，開始進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。調(diào)節(jié)壓力旋鈕，使壓力維持在8.5-10.0MPa之間，沖擊次數(shù)達(dá)到400 萬次后，試驗(yàn)結(jié)束。關(guān)閉電源，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦上。在齒圈上隨機(jī)選擇5 個(gè)不相鄰的單齒，采用磁粉探傷技術(shù)檢查確定均不存在裂紋，該則撓性飛輪試件的抗疲勞性能合格。

3.2 剛度試驗(yàn)

開始剛度試驗(yàn)前，使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼校準(zhǔn)測(cè)力儀。進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，讓試驗(yàn)機(jī)從0 開始加壓，達(dá)到最大試驗(yàn)力。觀察測(cè)力儀所測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是否一致。連續(xù)進(jìn)行3 次，若3 次數(shù)據(jù)均一致，說明試驗(yàn)機(jī)工況良好，可進(jìn)行剛度試驗(yàn)。完成儀器調(diào)校后，選擇1個(gè)撓性飛輪試件，將其放置到試驗(yàn)機(jī)的操作臺(tái)上并使用夾具固定。從0 開始加壓，逐漸加到420kN，測(cè)力儀記錄不同加載壓力下試件的剛度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)完畢后，整理數(shù)據(jù)繪制“壓力-剛度”變化曲線，如圖3 所示。

圖3 不同加載壓力下?lián)闲燥w輪試件剛度變化曲線

結(jié)合圖3 可知，當(dāng)加載壓力為20kN 時(shí)，試件剛度最小，為1300N/mm，隨著加載壓力逐步增加，試件剛度也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，在加載壓力為150kN 時(shí)，剛度達(dá)到最大值，為3200N/mm。之后繼續(xù)加壓，試件剛度保持不變，在加載壓力超過300kN 時(shí)，剛度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4 結(jié)語

撓性飛輪作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵部件之一，其性能、工況將會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。在撓性飛輪設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注其剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗疲勞性等性能指標(biāo)，確保滿足發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行的需要。除了通過有限元分析軟件進(jìn)行建模、分析外，還要將制作出的試件進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，確保各項(xiàng)參數(shù)達(dá)標(biāo)之后，再進(jìn)行批量化生產(chǎn)，從而降低殘次品率，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和促進(jìn)自主汽車工業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。