基于汽車發動機的撓性飛輪設計及其試驗研究

陳楠 馬東元 黃旭 許偉利 張偉

中國北方發動機研究所 天津市 300400

研制和生產高精度、高性能的汽車配件，是我國汽車工業走自主研發道路的基礎。受到工作特性的影響，撓性飛輪必須具有較強剛度、強度，以及穩定性和耐疲勞性。在設計階段，要求撓性飛輪的各項指標必須滿足要求，才能保證生產出來的產品順利通過質量檢驗。建立撓性飛輪的數學模型，并利用Ansys 軟件對該模型進行有限元計算分析，在此基礎上開展相應的試驗，進一步驗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準，從源頭上杜絕試件質量缺陷，為撓性飛輪的批量化生產提供幫助。

1 撓性飛輪設計的關鍵指標

1.1 性能指標

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

1.2 技術指標

撓性飛輪設計制造中要關注的技術指標有：（1）在滿功率運行時，啟動齒圈外圓跳動不得超過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）可靠性試驗中，撓性飛輪的磨損量、性能下降率等應符合技術要求。盤體各圓角之間無毛刺、棱角，保證光滑過渡；（3）超速試驗中，使撓性飛輪轉速高于1.2×104rpm，持續轉動2min，試驗結束后無裂紋、變形情況；（4）扭矩疲勞試驗中，分別在驅動盤的變矩器和曲軸外側提供一個頻率為14-16Hz、扭矩為1500Nm 的荷載，循環400 萬次，試驗結束后無裂紋、變形情況。

2 撓性飛輪總成有限元計算分析

2.1 疲勞分析

撓性飛輪在工作一定時間后，因為受到振動、軸向力和循環載荷等多種因素的影響，導致材料的力學性能下降，并發生破壞的情況，這種現象即為零件疲勞。隨著使用年限的增加，原始材料首先萌生宏觀裂紋，并且裂紋會不斷的發育。期間可通過損傷檢測（如超聲波探傷、磁粉探傷等）技術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，裂紋發育到一定程度后，會出現零件斷裂的現象。零件疲勞的發展過程如圖1 所示。

圖1 零件疲勞的發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，則根據材料的疲勞特性參數，撓性飛輪的疲勞極限分別為：（1）對稱彎曲疲勞極限為210-340MPa；（2）對稱拉亞疲勞極限170-400MPa；（3）扭轉剪切疲勞極限120-200MPa。

2.2 剛度分析

在撓性飛輪強度達標的前提下，剛度應盡可能的小，這樣才能保證撓性飛輪在受到軸向扭轉力、軸向攢動力的作用后，不會發生明顯的軸向位移，維持穩定運行。剛度分析分為2 個步驟：首先是增加一個螺栓預緊力，大小為30kN，該力的作用點為螺栓光桿面上的任意一點。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，再進行第二步，在盤體腹板和液力變矩器的連接位置，增加一個鎖緊裝置，提供約束力。通過外部約束使軸向位移0.5mm。此時撓性飛輪會產生一個反作用力，測量反力結果如圖2 所示。

圖2 剛度分析結果

結合圖2 數據，在根據反力（2894.5N）與施加位移（0.5mm）的比值關系，能夠求出總成剛度值，則該撓性飛輪的總成剛度為5789N/mm。

3 撓性飛輪力學性能的試驗探究

通過有限元計算分析，對設計指標進行優化，最終可以得到各項指標均滿足要求的撓性飛輪模型。參照該模型，選擇相應的材料制作試件，然后在實驗室環境下進行力學性能試驗，進一步驗證撓性飛輪試件的各項性能。試驗項目包括剛度試驗、超速試驗、動平衡試驗、齒疲勞試驗等。本文選擇齒疲勞試驗和剛度試驗展開簡要分析。

3.1 齒圈齒疲勞試驗

齒圈是一類傳動零件，為保證傳動效率需要齒圈上的每個單齒都要滿足強度要求，避免因為齒疲勞出現打滑、傳動失效等問題。開展齒疲勞試驗，提供3500kN 的啟動力，如果齒圈經過400 萬次沖擊后，每個單齒經過磁粉探傷后顯示均不存在裂紋，即為合格。齒疲勞試驗在嚙合試驗機上進行，試驗流程如下：（1）試驗開始前檢查電源情況和設備連接情況，確認無誤后啟動電機。操作試驗臺將試驗齒圈與驅動盤樣件齒圈對準、嚙合。調節試驗臺一側的“壓緊”旋鈕，將試件固定后，在控制電腦上設定試驗參數，如軸心距120mm、分度圓直徑26mm、負載3500kN等。參數設置完畢后，開始進行疲勞試驗。調節壓力旋鈕，使壓力維持在8.5-10.0MPa之間，沖擊次數達到400 萬次后，試驗結束。關閉電源，將試驗數據導入到電腦上。在齒圈上隨機選擇5 個不相鄰的單齒，采用磁粉探傷技術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

開始剛度試驗前，使用標準砝碼校準測力儀。進行預試驗，讓試驗機從0 開始加壓，達到最大試驗力。觀察測力儀所測數據與試驗機的標準數據是否一致。連續進行3 次，若3 次數據均一致，說明試驗機工況良好，可進行剛度試驗。完成儀器調校后，選擇1個撓性飛輪試件，將其放置到試驗機的操作臺上并使用夾具固定。從0 開始加壓，逐漸加到420kN，測力儀記錄不同加載壓力下試件的剛度數據。試驗完畢后，整理數據繪制“壓力-剛度”變化曲線，如圖3 所示。

圖3 不同加載壓力下撓性飛輪試件剛度變化曲線

結合圖3 可知，當加載壓力為20kN 時，試件剛度最小，為1300N/mm，隨著加載壓力逐步增加，試件剛度也呈現出上升趨勢，在加載壓力為150kN 時，剛度達到最大值，為3200N/mm。之后繼續加壓，試件剛度保持不變，在加載壓力超過300kN 時，剛度出現下降趨勢。

4 結語

撓性飛輪作為汽車發動機上的關鍵部件之一，其性能、工況將會對發動機質量產生直接影響。在撓性飛輪設計時，重點關注其剛度、強度、穩定性、抗疲勞性等性能指標，確保滿足發動機啟動運行的需要。除了通過有限元分析軟件進行建模、分析外，還要將制作出的試件進行反復試驗，確保各項參數達標之后，再進行批量化生產，從而降低殘次品率，為提高發動機性能和促進自主汽車工業發展奠定基礎。