汽車發(fā)動(dòng)機(jī)減振皮帶輪螺栓脫落的分析

□ 尹建東 □ 陳麗霞 □ 席洪亮 □ 白小婷

寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江寧波 315336

1 存在的問題

減振皮帶輪是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件,作用是消除或減小曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),安裝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前端,又稱曲軸減振器。減振皮帶輪使曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)能量逐漸消耗于摩擦,進(jìn)而使振幅逐漸減小。減振皮帶輪同時(shí)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)等附件的樞紐,通過螺栓緊固在曲軸上,需要保證螺栓緊固,不脫離。

某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架共振耐久試驗(yàn)運(yùn)行至90 h時(shí)因異響停機(jī),計(jì)劃運(yùn)行120 h。檢查發(fā)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前端減振皮帶輪上的一顆大螺栓丟失。減振皮帶輪螺栓安裝位置如圖1所示。

2 原因分析

減振皮帶輪零部件裝配關(guān)系如圖2所示,零部件分解如圖3所示。減振皮帶輪通過一顆大螺栓與曲軸裝配緊固,正時(shí)皮帶輪通過四顆小螺栓與減振皮帶輪緊固。

拆解四顆小螺栓,小螺栓的點(diǎn)漆標(biāo)志未發(fā)生變化,螺紋保持完整,未發(fā)現(xiàn)異常。拆解力矩也未見異常,要求為30±5 N·m,實(shí)測(cè)為30～31 N·m。

拆解正時(shí)皮帶輪,發(fā)現(xiàn)花鍵齒部分已經(jīng)磨損消失,說明正時(shí)皮帶輪內(nèi)側(cè)花鍵與曲軸花鍵配合存在嚴(yán)重的相對(duì)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致花鍵配合部位嚴(yán)重磨損。正時(shí)皮帶輪花鍵如圖4所示。

檢查發(fā)現(xiàn),正時(shí)皮帶輪端面與曲軸貼合部位存在磨損。對(duì)磨損痕跡進(jìn)行檢測(cè),磨損深度約0.5 mm。由此說明汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,正時(shí)皮帶輪與曲軸未貼合,存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致正時(shí)皮帶輪端面產(chǎn)生磨損。正時(shí)皮帶輪端面如圖5所示。

對(duì)減振皮帶輪進(jìn)行外觀狀態(tài)確認(rèn),發(fā)現(xiàn)減振皮帶輪安裝面與正時(shí)皮帶輪配合部位存在花鍵磨損痕跡,說明減振皮帶輪安裝面存在異常運(yùn)動(dòng)。減振皮帶輪磨損如圖6所示。

拆解曲軸,發(fā)現(xiàn)曲軸花鍵齒有磨損痕跡,頭部磨損嚴(yán)重,說明正時(shí)皮帶輪在配合過程中存在轉(zhuǎn)圈情況。對(duì)曲軸前端螺栓孔內(nèi)螺紋采用內(nèi)窺鏡檢查,確認(rèn)保持完整,未發(fā)現(xiàn)異常。曲軸花鍵齒磨損如圖7所示。

同批次曲軸花鍵齒形、齒相、齒頂圓、跨棒距、齒厚、螺旋角均符合圖紙要求,軸肩至花鍵頂端軸向距離要求為47±0.7 mm,實(shí)測(cè)為47.42 mm。曲軸與正時(shí)皮帶輪接觸面粗糙度Ra要求為不大于6.3 μm,實(shí)測(cè)為1.8 μm。曲軸螺紋規(guī)格、配合孔徑端面硬度及粗糙度檢測(cè)均滿足要求。

減振皮帶輪螺紋孔尺寸、端面跳動(dòng)、平面度、配合孔徑端面硬度及粗糙度檢測(cè)均滿足要求,無異常。

正時(shí)皮帶輪內(nèi)孔小徑、內(nèi)孔大徑、內(nèi)孔跨棒距、內(nèi)齒粗糙度、端面粗糙度、端面硬度、使用段密度等均滿足要求,端面在許用擠壓應(yīng)力下未發(fā)生塑性變形,彈性變形量為2.114 1 mm。

通過壓力機(jī)對(duì)正時(shí)皮帶輪進(jìn)行壓力測(cè)試,如圖8所示。對(duì)正時(shí)皮帶輪施加200 kN壓力,正時(shí)皮帶輪未發(fā)生壓潰,如圖9所示。正時(shí)皮帶輪壓潰強(qiáng)度在700 MPa以上,測(cè)試后探傷檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋,滿足要求。

對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)還進(jìn)行了BSG(Belt-Driven Starter Generator)沖擊扭矩測(cè)試,數(shù)據(jù)比較平穩(wěn),不存在沖擊扭矩。

減振皮帶輪與曲軸裝配緊固的大螺栓使用屈服法擰緊,通過超聲設(shè)備進(jìn)行螺栓伸長(zhǎng)評(píng)價(jià)。擰緊力矩為110 N·m,旋轉(zhuǎn)90°。對(duì)螺栓軸向力要求為65 kN～94 kN,實(shí)測(cè)為90.02 kN～90.34 kN,滿足要求。螺栓伸長(zhǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示,所有螺栓伸長(zhǎng)均達(dá)到屈服狀態(tài)。

對(duì)減振皮帶輪與曲軸裝配緊固的大螺栓的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè),標(biāo)準(zhǔn)要求不低于1 040 MPa,實(shí)測(cè)為1 146 MPa～1 153 MPa。對(duì)螺栓端面摩擦因數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),螺栓表面處理為達(dá)克羅涂層,評(píng)價(jià)結(jié)果滿足要求,沒有異常情況。

基于正時(shí)皮帶輪花鍵承受的扭矩進(jìn)行計(jì)算。螺栓預(yù)緊力為64.94 kN,正時(shí)皮帶輪與曲軸接觸面等效摩擦半徑為16 mm,摩擦因數(shù)為0.15,正時(shí)皮帶輪壓裝力為10 kN,計(jì)算得到可傳遞摩擦扭矩為131.9 N·m。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中需要傳遞的最大摩擦扭矩為188.1 N·m。正時(shí)皮帶輪與曲軸接觸面如圖11所示。

通過以上分析,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,最大傳遞摩擦扭矩的傳遞安全因數(shù)為0.7,而安全因數(shù)要求大于1.1,不滿足要求。由此可見,正時(shí)皮帶輪與曲軸接觸面之間存在傳遞摩擦力矩不足的風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致了減振皮帶輪螺栓脫落。

3 整改措施

為增大最大傳遞摩擦扭矩的傳遞安全因數(shù),可以增大正時(shí)皮帶輪端面摩擦因數(shù)。在正時(shí)皮帶輪端面增加激光刻蝕,使正時(shí)皮帶輪端面摩擦因數(shù)由0.15增大至0.3,可傳遞摩擦扭矩提高為263.8 N·m。正時(shí)皮帶輪端面摩擦因數(shù)增大后,最大傳遞摩擦扭矩的傳遞安全因數(shù)增大為1.4,滿足要求。

整改后對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了多輪臺(tái)架共振耐久試驗(yàn),均沒有出現(xiàn)減振皮帶輪螺栓脫落問題,確認(rèn)整改措施有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)減振皮帶輪螺栓脫落問題,在正時(shí)皮帶輪端面增加激光刻蝕,增大正時(shí)皮帶輪端面摩擦因數(shù),增大傳遞摩擦扭矩的能力,效果良好。后續(xù)建議在類似連接配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)傳遞摩擦扭矩等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)校核,進(jìn)而保證設(shè)計(jì)的可靠性。