飞轮齿圈故障分析及改进

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摘 要：通过对售后故障模式、图纸、加工工艺分析研究，结合测量系统分析结果，提出改进方案并验证，售后故障率明显降低。提高发动机的可靠性，降低售后故障索赔，从而提高企业市场竟争力。

关键词：测量系统分析；齿圈热装；倒角改进

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.169

0 引言

飞轮齿圈引起的发动机故障占整车总故障的比率较高，自08年起进行过多次改善，但效果并不明显，2011年飞轮齿圈打齿、啃齿故障频繁，故障率高达45700ppm，严重影响发动机质量。

1 售后故障模式

随机抽取300件售后故障齿圈进行检查，其故障特点主要有三类：三点磨损、整周磨损、局部断齿。

2 故障分析

2.1 齿圈入库检测数据分析

按现行工艺流程，齿圈节圆跳动A供方不合格率为87%，B供方为23%，超差严重。超差比较严重分析有两方面原因：一方面是供方与我公司检测方法不同；另一方面是设计、加工工艺问题。以下从这两个方面进行分析。

2.2 测量系统分析

供方与我公司检测方法不同，为确定一种更为合理的检查方法，消除检测方法不同带来的影响，进行以下测量系统分析。

2.2.1 测量方法说明

每个齿圈测量6个位置，1#、4#位置正对螺纹孔处，其余错开螺纹孔均匀分布；每个供方测量30件，共60件；每个位置L1、L2、L3三个值（L1为量棒千分尺测量值；L2为卡尺测量值、L3为三坐标测量值）。

2.2.2 量棒千分尺、卡尺测量测量方法与三坐标测量方法比较

（1）使用等方差检验及双样本T检验，对量棒千分尺、卡尺两种测量方法进行检验，P值均

（2）三坐标测量结果>>卡尺/量棒测量结果。

2.2.3 测量分析结论

根据以上测量系统分析来看，若以齿圈压圆状态下0.20径向跳动控制，以量棒千分尺法（图8）测量较可信；三坐标测量，齿圈内圆圆度偏差，以及供方加工方式齿轮基圆与齿圈内圆不同心的影响，测量误差较大。确定统一采用量棒千分尺法测量。

2.3 从设计、加工工艺角度进行分析

（1）设计分析。根据STR齿圈图纸要求：目前所有飞轮定位尺寸为φ430 0 -0.063，飞轮齿圈的定位尺寸为φ430+0.097 0，圆度要求为0.25；经计算配合最大间隙为0.16。最小间隙为0，在目前发动机冷态下装配，根本无法装配。

（2）齿圈加工工艺分析。1）因齿圈属于薄臂件，根据目前国内齿圈加工水平，，热处理后变形很大，内孔圆度和平均尺寸也随材料批次、热处理加热时间和冷却液温度的变化而变化，如齿圈淬火后满足圆度要求0.25，必须进行人工校圆，校圆后内孔尺寸至少30%超差。2）为满足飞轮齿圈内孔尺寸、圆度和冷装状态下装配要求，各齿圈加工供方加工工艺：齿顶圆、端面加工到尺，内孔为工艺孔以内孔定位滚齿齿部淬火夹齿顶精镗内孔。在夹齿顶镗内孔工序：因齿部淬火时变形加大，部分内孔变形达1毫米以上，再夹持很难将内孔圆度校正到0.2以内；车床重复三爪定心，至少有0.1的变化量。

（3）分析结论。根据图纸设计要求，在配合尺寸链：缸体、飞轮壳、飞轮的加工满足图纸要求情况下，飞轮齿圈与起动机的配合齿侧间隙为0.5～0.8。推测在目前飞轮齿圈的加工工艺下，因热处理后精镗内孔造成齿圈节圆相对内孔跳动较大，使跳动大的局部位置与起动机配合齿侧间隙较小或几乎为零，造成齿圈局部打齿，起动机因电流过高而烧毁。

发动机停车时曲轴总是停靠在某几个固定的位置，使齿圈出现有规律的三点磨损现象。飞轮齿圈的这一集中磨损情况将使起动机齿轮与其进入啮合的能力恶性下降， 从而直接影响发动机的起动性能， 噪音加大， 甚至使二者失去啮合能力致使飞轮齿圈报废。倒角不好，使起动机齿轮无法进入，从而造成端面整周磨损。

3 改进方案确定

统一采用量棒千分尺测量齿圈节圆跳动[1]，消除测量方法不同带来的影响。在尽量保证不改变飞轮设计的基础上对齿圈设计、加工工艺流程及装配方法进行改进。解决齿圈节圆相对内孔跳动较大，使起动机齿轮无法进入问题。

（1）齿圈与飞轮改为430h8/N9过渡配合，内孔圆度改为0.5，热处理后无需再进行内孔精镗。齿圈采用热装配，加热方式为感应加热[2]，冷却后消除了内孔圆度的影响。（2）齿圈加工工艺调整，齿顶圆、端面及内孔加工到尺寸，以内孔定位滚齿，齿部淬火后内孔不再精镗。（3）螺纹包括底孔在感应淬火后加工，保证螺纹孔位置度；（4）为保证起动机齿轮无障碍进入，同时保证齿根部强度，对齿圈倒角结构进行更改。改进前：倒角相贯线与齿对称线平行，倒角太小起动机齿轮不易进入，倒角太大齿根强度不够。改进后：倒角相贯线与齿廓平行，齿顶部倒角过中线，最大为齿宽的2/3，保证起动机齿轮无障碍进入，同时保证齿根部强度。为配合热套工艺，飞轮尺寸调整如下：① 飞轮热装齿圈前摩擦面进行斜切变形，变形量由生产工艺决定，保证齿圈热装后飞轮摩擦面平面度在0.05 之内（沿圆形轨迹测量）；②飞轮带齿圈进行静平衡，静平衡不平衡量≤95gcm。

4 改进方案验证

1000件改进后飞轮齿圈试装验证及分析。（1）质量部外检检验形体尺寸及材料性能合格。（2）装机试车过程无异常情况。 （3）跟踪售后情况无异常反馈。

根据以上分析及装机验证的情况，改进效果良好，对所有飞轮产品进行切换。目前为止，没有发现改进后热装齿圈的售后故障反馈。2012年为公司节约成本411.6万元。

5 结束语

本文通过对售后故障模式、图纸、加工工艺及测量系统分析研究，得出故障的主要原因是：倒角不好；原加工工艺热处理后精镗内孔造成齿圈节圆相对内孔跳动较大；飞轮齿圈集中磨损。针对故障原因提出改进方法（统一测量方法、改进设计、改进加工工艺），通过验证改进效果良好。目前未发现改进后热装齿圈的售后故障反馈。提高了发动机的可靠性，降低了售后故障索赔，从而提高企业市场竟争力。

参考文献：

[1]曾剑锋等.齿轮检测技术.第七章7.1.3齿圈径向跳动测量[M].北京：机械工业出版社，2012（09）.

[2]黄连平等.内燃机与动力装置[J].飞轮齿圈热套工艺的改进，2001（02）.