某汽油發(fā)動機減振皮帶輪輪轂腹板開裂分析及優(yōu)化

葉鑒民 張 楊 張亞林 張 偉 曾云華

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

由于曲軸是在周期性變化的扭矩作用下工作，這個周期性變化的扭矩被稱為干擾力矩。當干擾力矩的頻率與曲軸系統(tǒng)的扭振頻率趨于一致時，就會發(fā)生“共振”，這是內(nèi)燃機扭轉(zhuǎn)振動的最危險情況[1]。減振器可減輕此危害，主要分為三大類：阻尼式、動力式和復合式，其中橡膠減振器通過適當?shù)剡x擇慣性質(zhì)量和橡膠的彈性系數(shù)，以達到減振的作用，并通過橡膠的內(nèi)阻尼，產(chǎn)生分子摩擦而又具有阻尼減振器的功效，是汽油發(fā)動機中運用最為廣泛的復合式減振器[2]。而減振皮帶輪便是橡膠減振器和皮帶輪的結合體。

本文介紹某款汽油發(fā)動機在臺架耐久試驗時，出現(xiàn)兩例減振皮帶輪輪轂腹板開裂的失效問題，通過仿真分析，運用魚骨刺圖對其進行系統(tǒng)分析，并提出優(yōu)化方案，經(jīng)過驗證，將問題解決。

1 問題描述

案例一：在臺架耐久試驗過程中，發(fā)生“鐺鐺”聲，停機檢查發(fā)現(xiàn)減振皮帶輪的輪轂腹板開裂，其中一個腹板斷開破損，見圖1。

圖1 故障圖片1

案例二：在臺架耐久試驗過程中，發(fā)生異響和水溫報警，停機檢查發(fā)現(xiàn)減振皮帶輪的輪轂腹板斷裂，見圖2。

圖2 故障圖片2

2 原因分析

針對減振皮帶輪輪轂腹板開裂問題，建立原因分析魚骨刺圖，如圖3 所示，按此思路進行排查。

圖3 減振皮帶輪輪轂腹板開裂分析魚骨刺圖

2.1 設計問題

2.1.1 扭振過大

扭振測試簡述：發(fā)動機在全負荷工況下，分析儀器記錄減振皮帶輪在120 s 內(nèi)轉(zhuǎn)速由1 000 r/min 提升到6 000 r/min 過程中曲軸前端的振動。

發(fā)動機扭振測試結果：單階振幅為0.11°（要求＜0.2°），見圖4。

圖4 單階振幅測試結果

合振幅0.25°（要求＜0.5°），見圖5。

圖5 合振幅測試結果

減振皮帶輪頻率設計合理，發(fā)動機前端扭振滿足要求。

2.1.2 結構設計

根據(jù)CAE 分析結果，故障皮帶輪疲勞安全系數(shù)0.87，位于腹板根部，與故障件斷裂位置一致，見圖6。

圖6 疲勞強度計算

2.2 加工問題

輪轂腹板應為毛坯面，故障件為機加工面，輪轂與去重孔交接處為尖角，容易產(chǎn)生應力集中，見圖7。

圖7 機加面示意圖

2.3 裝配問題

2.3.1 零件轉(zhuǎn)運

零件轉(zhuǎn)運過程中采用料盒裝好，放置在托盤上進行轉(zhuǎn)運，皮帶輪之間用泡沫隔開，無磕碰風險，見圖8。

圖8 包裝示意

2.3.2 零件裝配

減振皮帶輪螺栓擰緊力矩為160 N·m，滿足（160±2）N·m 要求。減振皮帶輪螺栓拆解力矩為186 N·m，螺栓未松動。

2.4 鑄造問題

2.4.1 鑄造缺陷

鑄造表面有氣孔、缺肉、臺階問題，有風險，見圖9、10、11。

圖9 氣孔示意

圖10 缺肉示意

圖11 臺階示意

排查供應商生產(chǎn)過程，鑄造模具中，輪轂腹板與內(nèi)圈為分體式，造型時使砂型出現(xiàn)多肉、臺階等問題，造成輪轂毛坯出現(xiàn)少肉、臺階等缺陷。

2.4.2 材料成分和金相組織

對故障件進行金相分析和材料檢測，材料成分滿足設計要求，珠光體數(shù)量不合格，金相組織不滿足設計要求，見表1。

表1 材料成分和金相組織

排查供應商生產(chǎn)過程，回爐料所占比例過高，故障批次輪轂回爐料所占比例67%，影響輪轂強度。

孕育劑添加量無法準確控制，易導致輪轂出現(xiàn)縮松等缺陷。要求添加1 kg/260 kg（鐵水），實際故障批次添加1.2 kg/260 kg（鐵水）。孕育劑投入量大，增強石墨化效果，導致珠光體偏低。

3 整改措施

3.1 措施一

優(yōu)化輪轂結構，輪轂腹板與去重孔處圓角由R5 mm 更改為R20 mm，此處安全系數(shù)由0.87 提高到1.37，滿足安全系數(shù)大于1.1 的要求，見圖12、13。

圖12 變更前

圖13 變更后

3.2 措施二

更改模具設計，如圖14、15 所示。

圖14 模具變更前

圖15 模具變更后

模具外環(huán)、內(nèi)圈及腹板改為一體式結構，并取消腹板的機加，直接鑄造成型。

3.3 措施三

回爐料加入量采用千克制。

生鐵（400±20）kg，廢鋼（120±20）kg。

回爐料所占比例約為43%±4%。

控制孕育劑[3]加入量，孕育劑加入時采用稱重辦法控制實際加入量：1 kg 孕育劑/260 kg 鐵水。

4 試驗驗證

硬度和鑄造缺陷檢查合格，如表2 所示。

表2 硬度和鑄造缺陷檢查

金相檢測合格，如表3 所示。

表3 金相檢查

經(jīng)過多輪臺架耐久、整車路試，皮帶輪均通過驗證，未出現(xiàn)類似故障，如表4 所示。

表4 整改后耐久試驗

5 結論

本文對某汽油發(fā)動機減振皮帶輪輪轂腹板斷裂問題，通過魚骨刺圖形式進行排查，最終原因鎖定在腹板根部圓角過小、鑄造缺陷及材料金相組織問題。通過增大腹板根部圓角、改善鑄造模具以及控制回爐料和孕育劑的加入，有效解決了此類減振皮帶輪輪轂腹板開裂的故障問題。