深研故障模式挖掘飛輪壽命延長點

李金年，梁超

山東盛祥動力有限責任公司 山東濰坊 261041

1 序言

近幾年，根據故障信息統計，飛輪故障在三包故障中呈上升趨勢，盛瑞傳動股份有限公司本著降低故障率、減少質量損失、提高客戶滿意度的目的，對售后飛輪故障整體進行了統計分析。抽取其中一個月索賠單據中飛輪故障時間或里程及件數統計（合計130件），見表1。飛輪故障件號及所占比例統計見表2。

表1 一個月索賠單據中飛輪故障時間或里程及件數

表2 飛輪故障件號及所占比例

由表1、表2可以看出，飛輪龜裂發生時整車使用里程一般都在1萬km以上。根據退回的三包故障件可以發現，飛輪龜裂發生的部位全部在摩擦面。故障飛輪主要體現在L0211和L0220兩款飛輪。

根據三包索賠信息，具體故障描述有以下幾種類型：離合器不工作，換擋困難；抖動嚴重；飛輪裂紋；零公里飛輪邊緣破裂。

對退回的三包故障件予以分析，以上描述的集中故障類型在實物上集中表現為飛輪摩擦面裂紋（見圖1a）和表面溝壑（見圖1b）。

圖1 故障件

汽車的離合器是裝在飛輪上，利用飛輪后端面作為驅動件的摩擦面，用來對外傳遞動力[1]。飛輪的摩擦面在汽車行進時，是與離合器的離合器片相接觸而將動力傳至變速器。當駕駛者踩下離合器踏板時，離合器片便離開飛輪，使動力傳送中斷，進行換檔。離開踏板，離合器片與飛輪相觸，動力便恢復傳送。

根據飛輪的使用原理，可見使用過程中的摩擦是客觀存在的，因此裂紋形成為典型的磨損失效。該失效過程是一個較為復雜的過程，其磨損以表面疲勞磨損為主，并伴有磨粒磨損、犁溝切削以及黏著磨損。

造成飛輪多種磨損失效機理同時存在的原因：一是因為摩擦熱使表面氧化，從而改變了表面的性質；二是加工不良；三是工作條件的影響，這一點是最為重要的。

通過對退回三包故障件進行宏觀、微觀分析，掃描電鏡分析以及裂紋形成機理分析，深入剖析三包故障件的問題所在，協助上下游供應商更好地提升產品品質，持續改進，不斷完善，以維護公司品牌信譽。

2 宏觀分析

分析摩擦面裂紋飛輪的形貌，如圖2所示，可以看出，飛輪摩擦面上有沿著轉動方向的多道磨痕、臺階、麻點，如圖3所示。可判斷出，裂紋面必定經受過長時間或高速的摩擦，并且產生了相對位移的滑動摩擦。

圖2 不均勻摩擦和裂紋

圖3 飛輪摩擦面

3 化學成分與微觀組織分析

對故障件（材料HT250）取樣進行化學成分分析，結果見表3，正常的檢測點成分異常，但在摩擦故障面處有脫碳現象。

表3 故障件化學成分分析（質量分數） （%）

同時，對故障件進行金相組織和硬度檢測，所標檢測點位置硬度為195～205HBW，而裂紋處金相組織顯示，該處石墨較正常飛輪偏粗、短，如圖4所示。

圖4 金相檢測

4 掃描電鏡分析

如圖5所示，對故障飛輪表面典型磨損形貌的SEM分析可見，在飛輪表面沿其旋轉方向除了有平行的細長犁溝狀磨痕外，還有一些磨粒和小剝落坑，這些現象為犁溝切削、磨粒磨損及表面疲勞磨損的主要特征。

圖5 故障飛輪表面典型磨損形貌

此外，由于摩擦熱很容易導致表面氧化，飛輪和離合器片之間材料轉移的黏著磨損不可避免。

飛輪摩擦面既然是受摩擦力，如果飛輪材質不存在問題，即是使用原因造成，超載、超速行駛，使飛輪長時間處于高溫狀態，摩擦脫碳從而最終導致形成龜裂，裂紋形成機理應該是脫碳[2]+熱效應+磨削裂紋。飛輪抖動、換擋困難、表面溝壑及裂紋等故障均為過度摩擦所致。

5 導致飛輪裂紋出現的原因分析

裂紋形成機理分析，幾種導致飛輪裂紋的現實使用條件：

1）汽車離合器經常性分離不徹底，使用半聯動時間持久，在高速的傳動摩擦時汽車離合器壓盤及飛輪表面極易燒蝕。

2）離合踏板踩下后，在半聯動狀態的時候，油門給的過大，會使傳動系統摩擦過熱，造成飛輪和離合器壓盤燒蝕。

3）車輛超負荷運載時起步過猛，造成從動盤的扭轉減振彈簧脫落，繼而造成飛輪的劃傷甚至打爛齒圈，或分離軸承座與變速器一軸軸承蓋間發卡，導致離合器片與飛輪分離不徹底，飛輪端面受熱膨脹，從而拉傷燒蝕飛輪端面。

4）離合器摩擦片磨損，離合摩擦片磨損減薄，鉚釘頭超出磨擦片平面，將飛輪工作面刮傷成溝槽，或摩擦片破損，鉚釘松脫，引起飛輪平面損傷。

5）離合器不工作或換擋困難應該是離合器本身的問題。在離合器總成中，摩擦片、壓盤、彈簧在不停地動作和磨損，當摩擦片不好或壓緊度不夠時，若飛輪的后端結合面磨損，那飛輪也是受害者。離合器不工作、換擋困難應該更換摩擦片或其他相關件。

為充分表達真實故障率，我們擴大取樣基數，增加真實率，對2014—2017年同L2011飛輪毛坯和L0041飛輪毛坯的所有件號供貨數量和故障數量進行比較，具體見表4、表5。

由表4、表5可以看出，L0211毛坯所加工的飛輪故障率為0.32%，其中L0211飛輪故障率已經高達9.89%，L0220飛輪故障率高達0.16%，而L0041飛輪毛坯整體故障率僅0.01%。

表4 2014—2017使用L0211飛輪毛坯件號故障率

表5 2014—2017年同L0041毛坯件號故障率

兩者區別：

首先，L0211飛輪車型主要是道路機，而L0041飛輪車型主要是工程機械。

其次，L0041飛輪不與離合器片直接接觸，而是在L0041飛輪上增加了一個飛輪連接片。

總而言之，道路機存在超載現象，半離合狀態是引起飛輪故障的主要原因，產生的裂紋非鑄造或加工的問題，而是客戶使用的問題。為減少飛輪故障率，可以優化產品結構，在飛輪與離合器片中間增加一個過渡連接盤，這樣可大大提高飛輪件的使用壽命，降低整車維護成本。

6 制造原因分析

齒圈飛輪爆炸圖如圖6所示，先研究下飛輪齒圈裝配工藝，常用的裝配工藝有以下2種：

圖6 齒圈飛輪爆炸圖

1）螺栓聯接——受齒圈精度影響，總成件動平衡精度丟失。

2）熱裝壓裝——總成件供應，動平衡[1]精度可控。

通過飛輪的平衡精度檢測試驗進行數據（見表6）對比：

表6 平衡試驗檢測數據 （g·cm）

1）隨機抽取20件已經完成動平衡去重檢測的飛輪件（見圖7）；重新檢測飛輪不平衡量數值并做相應記錄。

圖7 飛輪檢測狀態

2）隨機抽取20件合格的齒圈，分別安裝到飛輪件（見圖8）上，并重新檢測總成件的不平衡量數值，并重新記錄。

圖8 總成檢測狀態

試驗總結：飛輪總成件的不平衡量受齒圈的質量影響，導致總成件的不平衡量精度丟失。

7 對比其他材質的飛輪

研究增加Mo元素提高飛輪毛坯鑄件的耐磨性[3]來提高使用壽命，根據工藝成本來選擇適合的優化方案。

飛輪材質HT250增加了Mo，合金Mo可以形成致密的合金氧化膜[3]，提高相變溫度，同時Mo可以強化鐵素體，使基體有較好的高溫強度，能承受較大的應力。鉬合金可以更好地抗氧化、龜裂、熱裂。對此飛輪做了分析，HT250（Mo）飛輪也存在龜裂，但裂紋要輕微，如圖9所示。

圖9 HT250（Mo）飛輪磨損效果

總結如下：

1）規范服務站判定標準，給予正確引導，售后飛輪故障鑒定方案見表7。

表7 售后飛輪故障鑒定方案

2）提升飛輪總成件平衡精度，應該由分供方以總成件供應，從而避免飛輪總成件分裝導致平衡精度丟失。

3）優化動力輸出聯接機構，在飛輪與離合器片中間增加一個過渡連接盤。