飛輪連接螺栓可靠性提升研究

栗明，胡偉，李廣，趙建永

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061 ）

?

飛輪連接螺栓可靠性提升研究

栗明，胡偉，李廣，趙建永

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061 ）

摘 要：飛輪與曲軸采用飛輪連接螺栓進行聯接，由于飛輪連接螺栓是傳遞力矩的重要部件，如果出現飛輪連接螺栓斷裂的問題，危害性極大，會導致曲軸和曲軸連接件報廢，造成嚴重的經濟損失；為了確保螺栓聯接的可靠性，文章從使用的工況、 EVB排氣制動使用對發動機影響情況、用戶駕駛習慣、離合器匹配規范、曲軸飛輪連接螺栓設計等方面提出整改預防措施。

關鍵詞：斷裂；超速；壓潰；法蘭面螺栓；駕駛習慣

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.041

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-120-05

前言

飛輪連接螺栓是聯接曲軸和飛輪的重要部件，其發揮的作用是通過螺栓預緊力來提供飛輪和曲軸之間的摩擦力，用以保證兩者之間沒有相對滑動。因為在柴油機處于工作狀態時，飛輪連接螺栓受力情況比較復雜，同時承受飛輪輸出扭矩和飛輪自身重力，因此需要對飛輪螺栓可靠性進行分析，預防故障發生，本文從發動機自身的質量問題及用戶使用習慣進行分析，通過進行詳盡的舊件分析、理論計算、臺架試驗、實地測試提升飛輪連接螺栓可靠性問題。

圖1　曲軸端損壞照片

1、EVB對柴油機扭振影響實驗

1.1 實驗概述

試驗名稱： EVB對柴油機扭振影響實驗。

1.2 目的與要求

對柴油機飛輪連接螺栓進行排氣制動狀態下的扭振測試，找出是否因軸系扭振過大，導致螺栓斷裂。

1.3 試驗對象

柴油機，蝶閥，如圖3所示，圖中圈出部分為蝶閥。

圖3　柴油機及蝶閥

1.4 扭振測試環境

柴油機扭振測試過程中，測點布置如圖4所示，在減振器端裝上傳感器，在減振器溫度達到平衡之后，測量扭振及減振器表面溫度。

圖4　柴油機扭振試驗測點布置

1.5 扭振測試方法

扭振的測量方法如下：

柴油機水溫、油溫、進氣壓力等各項參數符合技術條件后進行扭振試驗。

柴油機在要求負荷運行30min后，待減振器便面溫度不變或五分鐘內小于1℃時開始扭振試驗，記錄扭振數據。

1.6 扭振測試結果及分析

先進行發動機正常外特性工況下的扭振，將發動機沿外特性曲線在150s內從最高空車降到怠速，得到變轉速扭振特性曲線，如圖5所示，最大扭振出現在4.5階曲線，1885r/min工況上，為0.2℃左右，扭振處于正常范圍，說明發動機軸系狀態正常。

圖5　柴油機的外特性扭振曲線

圖6為發動機外特性工況下的缸壓及扭振曲線圖，顯示缸壓及扭矩正常。

圖6　柴油機外特性工況下的缸壓及扭矩曲線

測試開啟蝶閥，倒拖狀態下的扭振。倒拖從最高空車轉速在120s內降到怠速，測得扭振，缸壓，扭振如圖7、8所示。在倒拖情況下，缸壓下降到了4.5MPa～5.8 MPa之間，軸系扭振顯著減小，在大部分轉速下，扭振值都在0.1°以下。（扭振曲線出現的小鼓包為干擾信號，跟扭振無關，分析扭振曲線時可以直接削去）。

安裝蝶閥，進行排氣制動狀態下的扭振試驗。關閉蝶閥，在閥前壓力穩定后，倒拖降轉速，得到扭振、缸壓、閥前壓力、扭振等曲線，如圖9、10、11。在1200r/min～1300 r/min之間，蝶閥前壓力機扭振波動較大，缸壓也有點不穩定，同樣的，對扭振影響較小。

圖9　排氣制動狀態下的扭振曲線

圖10　缸壓及蝶閥前壓力曲線

圖11　排氣制動狀態下扭矩曲線

1.6 結論與建議

根據測試結果，得到結論如下：

測試用發動機正常運行時各項性能正常，軸系扭振最大為0.2°，處于正常水平。

在倒拖及排氣制動情況下，發動機軸系的扭振是很小的。

蝶閥關閉時產生的壓力沖擊最大為3MPa，這樣的大小對扭振影響很小。

總上所述，軸系扭振異常不影響飛輪連接螺栓可靠性。

2、故障件返回分析

2.1 螺栓斷裂背景

四川攀枝花某公司反映整車無法啟動，經拆檢發現如圖12-16。

飛輪與曲軸連接的螺栓全部斷裂，其中7根螺栓斷裂為兩段，位置在曲軸沉孔處；2根斷裂為3段，位置在曲軸沉孔處和飛輪與曲軸結合面處，斷裂為3段的螺栓桿部彎曲，螺栓頭部有磨損痕跡。

圖12　故障件返回分析

斷裂為兩段的螺栓螺紋部位存在擠壓痕跡，長度約7扣，與沉孔深度吻合。

五根螺栓根部，長度不一，說明螺栓存在一定的松動跡象。

圖13　螺栓斷裂處示意圖

圖14　螺栓端口比較圖

和螺栓連接的飛輪接觸面有壓潰現象，和曲軸接觸的飛輪接觸面上有高溫燒結痕跡。

圖15　飛輪壓潰及高溫燒結圖示

與飛輪接觸的曲軸結合面有高溫燒結的痕跡，且螺栓沉孔全部變形。

圖16　曲軸軸頭高溫燒結圖示

2.2 螺栓斷裂問題分析

飛輪螺栓斷口1#-7#螺栓斷口無明顯的疲勞貝紋線，為雙向彎曲過載剪切斷裂。

有一根螺栓根部很短，說明螺栓松動嚴重。

圖17　螺栓斷面理化分析

2.3 飛輪螺栓強度排查

螺栓材料為42CrMo，要求螺栓強度10.9級，螺栓硬度滿足要求。

圖18　螺栓硬度列表

2.4 螺栓夾緊力不足排查

2.4.1 屈服軸力計算

圖19　屈服軸力計算

2.4.2 扭矩傳遞安全系數計算

圖20　扭力傳遞計算

2.4.3 飛輪壓潰導致夾緊力損失

故障機飛輪壓潰深度約為0.1mm，單根螺栓夾緊力損失約為38.46kN，夾緊力損失37%左右，影響動扭矩傳遞能力及螺栓鎖緊性能。

圖21　飛輪表面壓潰圖示

2.5 飛輪材料硬度排查

飛輪材料為HT250，硬度為229HBW，符合QWCG050-2009灰鑄鐵件通用技術條件（190～240HB）。

飛輪硬度合格，排除飛輪材料不合格造成的壓潰。

飛輪接觸面壓強大于飛輪材料承壓能力，飛輪被壓潰。

圖22　螺栓壓潰計算

裝配線上存在飛輪接觸面壓潰問題。

圖23　飛輪表面壓潰圖示

壓潰后扭矩傳遞安全系數計算。

圖24　壓潰后扭矩傳遞安全系數計算

2.6 整改措施

將飛輪螺栓改為法蘭面螺栓（非標設計），避免螺栓壓潰。

圖25　更改為法蘭面螺栓壓潰計算

3、飛輪法蘭面12.9級擰緊工藝修訂試驗

3.1 工藝修訂試驗

經過重新設計的飛輪螺栓（件號：612600020966）為12.9級法蘭面，得到的新的擰緊工藝是60Nm+90°+90°，擰緊螺栓后得出的擰緊曲線如下:

圖26　螺栓擰緊曲線

飛輪表面與螺栓接觸面良好，無壓潰存在，工藝可靠。

圖27　飛輪與螺栓接觸面

3.2 裝配工藝驗證

裝配中使用三軸擰緊機擰緊螺栓，對螺栓按照60Nm+180°的擰緊工藝擰緊螺栓，得到的螺栓擰緊曲線。

圖28　螺栓擰緊曲線

曲線表明新制定的工藝在擰緊驗證結果可靠。

對試驗所得的最終扭矩值做統計，得出螺栓扭矩值95%的數值分布的區間是228～355Nm。

對扭矩值進行修訂，將分布區間修訂為230～360Nm。

由于試驗樣本數據較少，建議后期更改工藝后，批量生產一段時間，再對生產數據進行一次統計分析。

圖29　試驗所得的最終扭矩值做統計

修改后的飛輪螺栓按照以下工藝擰緊：

手動把緊：60Nm+90°+90°；

擰緊機把緊：60Nm+180°。

4、選取最惡劣工況對駕駛習慣進行的NVH試驗

4.1 問題背景

選取最惡劣礦區工況，某地區一臺礦用車發生飛輪連接螺栓斷裂問題，對其進行NVH性能方面進行分析，查找故障原因，并提出進一步的改進措施。

4.2 試驗項目與內容

故障車235#和正常車242#路試試驗。

圖30　測試車輛發動機信息

圖31　路試測點

4.3 路況信息

整車滿載（拉石頭）

路況惡劣，基本為下坡—彎—上坡—彎—下坡，且坡度較大。

圖32　路況

4.4 試驗結論

故障車在路試過程中多處出現較大沖擊，幅值高達25g，經核對正好是故障車司機換擋當中的幾次，其一定程度上對曲軸與飛輪連接螺栓產生沖擊。

圖33　故障車與整車車輛沖擊對比，上圖為故障車沖擊圖

故障車在重載下坡過程，故障車多次出現發動機轉速達到或超過2500rpm，使發動機處于高轉速倒拖狀態，曲軸飛輪連接螺栓克服飛輪曲軸等高速旋轉扭矩越大，其會引起螺栓發生斷裂的可能，亦會加速發動機內相關部件的磨損，產生不可預估的破壞。

4.5 改進建議

杜絕發動機處于高轉速倒拖狀態，尤其在重載下坡過程。可通過控制車速，利用剎車及時注意轉速表等措施。

換擋時“溫柔”操作，確保離合器踩到底換擋。

5、結論及改進方案

通過以上分析，提升飛輪連接螺栓可靠性主要有以下兩方面：①螺栓存在壓潰接觸面，造成擰緊力損失；②用戶駕駛粗暴。

提升方案：①設計法蘭面螺栓替換普通六角頭螺栓；②制定卡車、客車、工程機械用戶駕駛規范。

參考文獻

[1] 龐劍,諶剛,何華．汽車噪聲與振動—理論與應用〔M〕.北京:北京理工大學出版社，2006:287～303.

[2] 劉馥清.LMS 振動/噪音測試與分析系統理論〔M〕.比利時：LMS公司,200～228.

[3] 張俊紅．內燃機制造工藝學〔M〕．天津∶天津大學出版社,2009∶308～328.

Reliability Improvement Of Flywheel Connecting Bolt

Li Ming, Hu Wei, Li Guang, Zhao Jianyong
( Weichai power Co., LTD., Shandong Weifang 261061 )

Abstract:The flywheel and crankshaft is connected with the bolt of the flywheel，As flywheel connecting boltsis an important part of the transmission torque.If there is a problem of the flywheel connecting bolt fracture，is a great harm，it will cause the crank and the connecting parts to be declared worthless，cause serious economic losses.

In order to ensure the reliability of the bolt connection，the following file will through the working condition、the influence of the EVB、driver’s driving habits、clutch matching specification、the bolts design to put forward corrective and preventive measures.

Key words:crack; speeding; crush; flange bolt; driving habits

作者簡介：栗明，就職于濰柴動力股份有限公司。

中圖分類號：U463.8

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-120-05