汽车发动机减振皮带轮螺栓脱落的分析

2022-09-01尹建东陈丽霞席洪亮白小婷

机械制造 2022年6期

□ 尹建东 □ 陈丽霞 □ 席洪亮 □ 白小婷

宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波 315336

1 存在的问题

减振皮带轮是汽车发动机的重要零部件,作用是消除或减小曲轴的扭转振动,安装在汽车发动机曲轴前端,又称曲轴减振器。减振皮带轮使曲轴扭转振动能量逐渐消耗于摩擦,进而使振幅逐渐减小。减振皮带轮同时是汽车发动机带动发电机、压缩机等附件的枢纽,通过螺栓紧固在曲轴上,需要保证螺栓紧固,不脱离。

某汽车发动机在台架共振耐久试验运行至90 h时因异响停机,计划运行120 h。检查发现汽车发动机前端减振皮带轮上的一颗大螺栓丢失。减振皮带轮螺栓安装位置如图1所示。

2 原因分析

减振皮带轮零部件装配关系如图2所示,零部件分解如图3所示。减振皮带轮通过一颗大螺栓与曲轴装配紧固,正时皮带轮通过四颗小螺栓与减振皮带轮紧固。

拆解四颗小螺栓,小螺栓的点漆标志未发生变化,螺纹保持完整,未发现异常。拆解力矩也未见异常,要求为30±5 N·m,实测为30～31 N·m。

拆解正时皮带轮,发现花键齿部分已经磨损消失,说明正时皮带轮内侧花键与曲轴花键配合存在严重的相对运动,导致花键配合部位严重磨损。正时皮带轮花键如图4所示。

检查发现,正时皮带轮端面与曲轴贴合部位存在磨损。对磨损痕迹进行检测,磨损深度约0.5 mm。由此说明汽车发动机在运转过程中,正时皮带轮与曲轴未贴合,存在相对运动,导致正时皮带轮端面产生磨损。正时皮带轮端面如图5所示。

对减振皮带轮进行外观状态确认,发现减振皮带轮安装面与正时皮带轮配合部位存在花键磨损痕迹,说明减振皮带轮安装面存在异常运动。减振皮带轮磨损如图6所示。

拆解曲轴,发现曲轴花键齿有磨损痕迹,头部磨损严重,说明正时皮带轮在配合过程中存在转圈情况。对曲轴前端螺栓孔内螺纹采用内窥镜检查,确认保持完整,未发现异常。曲轴花键齿磨损如图7所示。

同批次曲轴花键齿形、齿相、齿顶圆、跨棒距、齿厚、螺旋角均符合图纸要求,轴肩至花键顶端轴向距离要求为47±0.7 mm,实测为47.42 mm。曲轴与正时皮带轮接触面粗糙度Ra要求为不大于6.3 μm,实测为1.8 μm。曲轴螺纹规格、配合孔径端面硬度及粗糙度检测均满足要求。

减振皮带轮螺纹孔尺寸、端面跳动、平面度、配合孔径端面硬度及粗糙度检测均满足要求,无异常。

正时皮带轮内孔小径、内孔大径、内孔跨棒距、内齿粗糙度、端面粗糙度、端面硬度、使用段密度等均满足要求,端面在许用挤压应力下未发生塑性变形,弹性变形量为2.114 1 mm。

通过压力机对正时皮带轮进行压力测试,如图8所示。对正时皮带轮施加200 kN压力,正时皮带轮未发生压溃,如图9所示。正时皮带轮压溃强度在700 MPa以上,测试后探伤检查未发现裂纹,满足要求。

对汽车发动机还进行了BSG(Belt-Driven Starter Generator)冲击扭矩测试,数据比较平稳,不存在冲击扭矩。

减振皮带轮与曲轴装配紧固的大螺栓使用屈服法拧紧,通过超声设备进行螺栓伸长评价。拧紧力矩为110 N·m,旋转90°。对螺栓轴向力要求为65 kN～94 kN,实测为90.02 kN～90.34 kN,满足要求。螺栓伸长检测数据如图10所示,所有螺栓伸长均达到屈服状态。

对减振皮带轮与曲轴装配紧固的大螺栓的抗拉强度进行检测,标准要求不低于1 040 MPa,实测为1 146 MPa～1 153 MPa。对螺栓端面摩擦因数进行评价,螺栓表面处理为达克罗涂层,评价结果满足要求,没有异常情况。

基于正时皮带轮花键承受的扭矩进行计算。螺栓预紧力为64.94 kN,正时皮带轮与曲轴接触面等效摩擦半径为16 mm,摩擦因数为0.15,正时皮带轮压装力为10 kN,计算得到可传递摩擦扭矩为131.9 N·m。汽车发动机运转中需要传递的最大摩擦扭矩为188.1 N·m。正时皮带轮与曲轴接触面如图11所示。