某型號發動機皮帶輪失效分析

李永純，楊園園，羅慶東

某型號發動機皮帶輪失效分析

李永純，楊園園，羅慶東

（寧波吉利汽車研究開發有限公司，浙江 寧波 315336）

為了保證零部件可以順利整車耐久試驗驗證，快速分析失效原因及提出解決方案；文章基于對某款型號發動機減震皮帶輪及單向離合器工作原理、彈簧片斷口及測試結果進行分析，確定產品失效主要原因并提出相應的解決措施。針對改進后的零部件進行仿真分析后，確定此方案的有效性，最后通過整車耐久試驗驗證，確定了解決方案的可行性。

發動機；減震皮帶輪；單向離合器；彈簧片；失效分析

交流發電機是汽車整車用電的主要來源，在發動機運轉過程中，除向整車用電器供電外，同時還可以向蓄電池充電。

由于現代汽車對整車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能及油耗均有較高要求，發動機前端輪系直接影響發動機附件系統的性能及可靠性，皮帶張緊力影響到整車油耗，所以主流技術采用雙向減震皮帶輪，既可以提升NVH性能，又可以降低皮帶張緊力，進而降低整車油耗。這種帶有減震結構的皮帶輪都集成發電機驅動帶輪功能，安裝在發電機前端。

本文討論由于發電機雙向減震皮帶輪故障，導致發電機無法正常工作，著重分析皮帶輪的失效模式、改進措施及驗證效果。

1 雙向減震皮帶輪結構及工作原理

雙向減震皮帶輪主要結構如圖1所示，滾針軸承的作用是承載發電機帶輪的徑向載荷，驅動帶輪起到將發動機扭矩通過皮帶、帶輪傳遞給發電機的作用；單向離合器（One Way Clutch, OWC）總成是減震皮帶輪組件中最核心的零部件，起到實現動力傳遞的作用，在超越時實現帶輪與發電機軸的分離；彈簧的作用是將扭矩由帶輪傳遞到OWC，通過OWC傳遞到發電機軸并起到吸收來自帶輪振動的作用；中心軸的作用是將減震皮帶輪通過螺栓固定在發電機軸上[1-3]。

1－中心軸；2－滾針軸承；3－帶輪；4－彈簧；5－離合器座；6－單向離合器；7－止推襯套；8－滾珠軸承；9－密封蓋；10－單向離合器滾針；11－墊片。

從圖1的減震皮帶輪結構圖中可以看到，彈簧和單向離合器串聯在中心軸與帶輪之間，具有單向超越功能和隔離扭振這兩種功能。

發動機產生的扭矩通過驅動皮帶、發電機減震帶輪、單向離合器、中心軸傳遞至發電機，可以使發電機正常運轉。當整車換擋過程中，發動機轉速降低，由于發電機轉子轉動慣量大，致使發電機驅動皮帶由原正常工作時的緊邊轉變成松邊，當速度較快或發電機轉子慣量過大時，會導致驅動皮帶與發電機帶輪之間打滑，產生噪聲，嚴重時會加劇皮帶的磨損。

發動機輪系在使用減震皮帶輪后，當發動機轉速降低時，發動機轉速通過驅動皮帶傳遞到減震皮帶輪，減震皮帶輪的轉速會小于中心軸轉速，此時發電機轉子通過中心軸帶動單向離合器轉動，致使單向離合器滾針脫離原位置實現超越，發電機帶輪隨著驅動皮帶與發動機一同減速，此時發電機仍然保持較高轉速進行旋轉，從而實現了單向超越功能。

當發動機轉速升高時，單向離合器中滾針與內外圈結合，帶動中心軸及發電機運轉，因為在帶輪與單向離合器間存在有彈簧，所以發電機轉子的轉速不會與驅動皮帶同步加速，從而就實現了隔離發動機通過皮帶傳遞的扭振的功能[4-6]，如圖2所示。

單向離合器工作原理：單向離合器在鎖止狀態時，滾針卡死在內圈與外圈之間，使單向離合器的外圈、滾針和內圈成為一體，相當不動。此時彈簧高度最大，壓縮值最小，外圈通過滾針帶動內圈轉動，轉速相同，如圖3(a)所示。

單向離合器在脫開狀態時，滾針可以在內圈與外圈間旋轉，使內圈與外圈脫開，內圈與外圈間沒有力矩傳遞，此時彈簧高度最小，壓縮值最大，而且彈簧壓縮值與滾針的離心力成正比，離心力越大，彈簧壓縮值越大，而且時時變化，如圖3(b)所示。

由于張緊力的降低，可以使輪系具有以下特點：

1）減少發動機附件皮帶輪系的扭轉振動；

2）增加輪系的使用壽命；

3）改善振動噪音；

4）改善油耗。

圖3 單向離合器工作原理

2 失效分析

根據試驗車輛反饋發電機無法發電，經拆解發現減震皮帶輪中間軸磨損嚴重，出現燒蝕現象。單向離合器滾針表面有輕微變色，且與彈簧片接觸處有磨損痕跡，部分滾針外表面已被磨平，彈簧片斷裂、缺失，如圖4—圖6所示。

圖4 中間軸燒蝕

圖5 彈簧片斷裂

圖6 滾針磨損

通過拆解零件判定，由于單向離合器彈簧片斷裂，導致滾針卡死在單向離合器內圈與外圈之間，無法起到超越作用，在外力的作用下，與中間軸產生相對位移，最終導致中間軸燒蝕及滾針磨損。

經過對彈簧片進行斷口分析，分別在彈簧片折斷處進行檢測，發現斷口1與斷口2裂紋源區無明顯加工缺陷，斷口1和斷口2裂紋源均處于彈簧片折彎外側應力集中處，如圖7(a)所示；圖7(b)斷口裂紋（擴展區）顯示的斷口微觀形貌特征分析，可得出該斷裂呈現疲勞斷裂的特征。

圖7 斷口分析

經過上述分析和整車測試得出，此故障為耐久性問題，隨著減震皮帶輪運行時間及單向離合器超越次數的增加，會增大單向離合器彈簧片斷裂風險。彈簧減震皮帶輪設計耐久總超越次數為1 800萬次，而在整車實際耐久驗證中測得實際總超越次數約5 300萬次，設計裕度不滿足整車實際使用工況，故需對該產品進行加強設計。

3 改進措施及驗證

通過以上分析，可以判定單向離合器彈簧失效原因為耐久次數不滿足整車實際使用需求，需要對彈簧片進行加強。在單向離合器現有空間內，彈簧片寬度可以由目前的1.0 mm增大到1.14 mm，彈簧片的厚度可以由目前的0.15 mm增大到0.17 mm。為了保持彈簧片自由高度2.6 mm不變，所以折彎角度由30°減小到25.6°。經過仿真分析，改進后彈簧片應力及受力能力都優于改進前，如圖8、圖9和表1所示。

圖8 改進前、后結構對比

表1 改進前后數據對比

高度/mm當前壓強/MPa當前壓力/N改進后壓強/MPa改進后壓力/N 1.77151.756652.27 1.5852.058002.77 1.31 0402.309433.49

改進后減震皮帶輪在經過耐久后測試，傳遞力矩及超越功能正常。拆解減震皮帶輪，其中單向離合器結構完好，功能正常；外圈無裂紋；保持架及彈簧片無裂紋，如圖10所示。

滾針及彈簧片測試，滾針受工作磨損影響較小，直徑及長度變化不大，滿足設計要求，如表2所示，彈簧片沒有出現裂紋、斷裂等現象，高度及受力測試結果滿足設計要求，如表3所示。

表2 滾針直徑及長度檢測結果

零件編號1# 2#3# 4# 5# 直徑/mm2.215 2.2152.215 2.216 2.215 長度/mm10.63 10.6210.62 10.63 10.65 零件編號6# 7#8# 9# 10# 直徑/mm2.215 2.2172.215 2.215 2.217 長度/mm10.62 10.610.61 10.63 10.61 零件編號11# 12#13# 14# 15# 直徑/mm2.216 2.2172.21 2.216 2.215 長度/mm10.64 10.6210.64 10.63 10.66

表3 彈簧片高度及受力檢測結果

零件編號1# 2#3# 4# 5# 直徑/mm2.215 2.2152.215 2.216 2.215 長度/mm10.63 10.6210.62 10.63 10.65 彈簧力/N2.068 2.1472.215 2.177 2.031 零件編號6# 7#8# 9# 10# 直徑/mm2.215 2.2172.215 2.215 2.217 長度/mm10.62 10.610.61 10.63 10.61 彈簧力/N2.15 2.2012.17 2.061 2.215 零件編號11# 12#13# 14# 15# 直徑/mm2.216 2.2172.21 2.216 2.215 長度/mm10.64 10.6210.64 10.63 10.66 彈簧力/N2.043 2.0322.136 2.152 2.071

4 總結

對減震皮帶輪及單向離合器工作原理進行分析，結合對故障件斷口分析，得出故障原因，并結合零部件實際設計情況，對設計進行改進。通過仿真分析手段，對設計改進進行預測評估，再對整車耐久試驗測試零件進行拆解分析，最終確認改進方案有效。最后經過耐久極限分析，改進后單向離合器可以達到9 800萬次耐久總次數，完全可以滿足整車耐久出現5 300萬次超越次數，提升產品的耐久使用壽命。

[1] 曾祥坤,上官文斌,張少飛.具有單向離合解耦器的發動機前端附件驅動系統的旋轉振動建模及參數優化設計[J].內燃機學報,2012,30(2):180-185.

[2] 孫百重,李文輝,劉爽,等.OAD對發動機皮帶傳動系統動態特性及整車油耗的影響[J].內燃機,2020(1): 12-16.

[3] 袁兆成.內燃機設計[M].北京:機械工業出版社,2018.

[4] 岳小平.柴油機前端附件驅動系統的優化設計[J].柴油機設計與制造,2012,18(3):21-24.

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Failure Analysis of a Type of Engine Pulley

LI Yongchun, YANG Yuanyuan, LUO Qingdong

( Ningbo Geely Automobile Research and Development Company Limited, Ningbo 315336, China )

In order to ensure that components can smooth the vehicle durability test, quick analysis of failure causes and propose solutions;In this paper, based on a model engine damping pulley and the working principle of the one-way clutch, spring clip and test result analysis, determine product main failure causes and put forward the corresponding solutions.For the improved parts after simulation analysis, to determine the effectiveness of this solution, finally through the vehicle durability test, determine the feasibility of the solution.

Engine; Damping pulley; One-way clutch; Spring;Failure analysis

U464.149

A

1671-7988(2023)12-72-05

李永純（1980－），男，工程師，研究方向為汽車動力系統，E-mail:liyongchun1@geely.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.014