1.發(fā)現(xiàn)問題

　　上海汽車1.8T自動飛輪總成(見圖1.1)與2008年批產(chǎn)，主要為車型榮威350和榮威550配套，屬于上海汽車自主研發(fā)的一款產(chǎn)品。

　　(圖1.1)

　　但是批產(chǎn)后，售后市場出現(xiàn)個別汽車行駛至30000到50000公里時汽車無法啟動，自動飛輪總成出現(xiàn)裂紋，裂紋分布于直徑約75mm處，在一個銷孔及6個安裝曲軸孔周圍(見圖1.2，圖1.3)，裂紋已經(jīng)呈連貫的圓周形狀。3mm加強板面與幅板面有成片明顯的高溫過燒痕跡。3mm加強板(見圖1.4)連接一面有明顯裂紋，和幅板裂紋大小，對應位置完全一致。

　　變扭器面 圖1.2

　　曲軸面 圖1.3

　　3mm加強板(圖1.4)

　　2.初步分析

　　2.1. 從(圖1.2)與(圖1.3)中可看出，裂紋斷口沒有徑向摩擦痕跡，幅板(圖1.3)與3mm加強板(圖1.4)裂紋輪廓完整不模糊，說明沒有徑向摩擦，不是由于徑向扭力造成的裂紋。而是由于動態(tài)循環(huán)彎曲交變載荷(可理解為軸向循環(huán)彎折)而產(chǎn)生裂紋或斷裂。此種載荷也是自動飛輪盤典型的故障類型。

　　2.2 3mm加強板表面產(chǎn)生明顯高溫過燒痕跡，且過燒痕跡與幅板上的痕跡對應位置一致，裂紋輪廓也完整，說明3mm加強板與幅板間沒有徑向摩擦。過燒應該是動態(tài)循環(huán)彎曲交變載荷產(chǎn)生高溫引起。

　　2.3. 點焊處的裂紋產(chǎn)生缺口，幅板其余幾處也有斷裂缺口，說明點焊不是裂紋源，而是裂紋從其他處產(chǎn)生，在接近點焊處，裂紋呈Y型分開，一處走向點焊處，一處走向幅板外延。裂紋匯合后產(chǎn)生缺口現(xiàn)象。

　　3.問題原因分析

　　3.1 幅板材料本身的抗屈服強度不夠而產(chǎn)生斷裂。

　　3.2通常在自動變速器傳動線路中，比在手動變速器的傳動路線中要產(chǎn)生較高的軸向負荷。安裝飛輪時，螺栓擰緊時產(chǎn)生傾斜，曲軸與飛輪，飛輪與變扭器都成一定的微小角度。就產(chǎn)生了曲軸和變矩器間的角度位移。在飛輪工作時，就受到了動態(tài)循環(huán)彎曲交變載荷，呈不斷高速循環(huán)彎折現(xiàn)象。導致最終產(chǎn)生裂紋。

　　4. 理論論證

　　4.1驗證幅板材料屈服強度是否滿足設計要求

　　假設幅板在行駛過程中因為塑性變形而產(chǎn)生斷裂破壞，故幅板在危險截面處的應力大于許用應力，即：

　　由于上海汽車1.8T自動飛輪總成斷裂失效是因為曲軸與變扭器間產(chǎn)生了角度位移，故可以近似的假定：變扭器固定不動，曲軸連接幅板，使幅板受力產(chǎn)生彎曲變形。從受力簡圖4.1中可知幅板總成受的是單向靜應力。

　　圖4.1 受力簡圖

　　單向靜應力下工作的塑性材料零件，按不發(fā)生塑性變形的條件進行強度計算。即:式(4.1)中的極限應力應為材料的屈服極限

　　許用安全系數(shù)按表4.1選取，隨比值的增大而加大

　　表 4.1的最小值

　　上海汽車1.8T自動幅板材料、曲軸端加強版、液力變扭器端加強版都為060X SAE J1392-84

　　表4.2 060X SAE J1392-84的材料性能

　　故=4.1e+008/4.8e+008=0.854

　　查表4.1得=1.7～2.2，在完全保證幅板安全可靠的前提下，選取=2.2

? ? ?

　　4.1.1 CAE分析

　　(1)有限元模型

　　圖 4.2 有限元模型

　　(2)邊界條件

　　由于制造及安裝誤差，柔性盤安裝后，有可能存在安裝軸線偏差，造成兩安裝面軸線存在偏差家渡，理論最大安裝角度偏差0.5度

　　固定約束柔性盤摩擦盤，強制位移0.5度(如圖4.3)

　　圖4.3 位移0.5度

　　(3)位移云圖

　　圖4.4 位移云圖

　　(4)應力云圖

　　圖4.5 應力云圖

　　通過CAE分析可得：危險截面處的應力遠遠小于許用應力，故假設不成立，幅板斷裂與幅板材料無關。

　　4.2 驗證循環(huán)彎曲變載荷產(chǎn)生幅板斷裂

　　4.2.1 交變應力

　　隨時間變化的應力稱為變應力，上海汽車1.8T自動幅板總成在工作過程中(如圖4.6)所示：雖然受到一個靜載荷，但是a點在旋轉(zhuǎn)過程中所受力的方向產(chǎn)生了變化，故應力也產(chǎn)生了變化，即為脈動循環(huán)變應力，失效形式為疲勞失效。

　　圖4.6 靜載荷作用下產(chǎn)生變應力

　　脈動循環(huán)變應力的特征應力譜如圖4.7所示，其中

　　圖4.7 脈動循環(huán)應力譜

?

最小應力與最大應力的比，稱為應力循環(huán)特性，用r表示，即脈動循環(huán)應力特性：　

?

?

　　4.2.2材料疲勞曲線

　　力經(jīng)過N次循環(huán)而材料不發(fā)生疲勞損壞的最大應力，稱為疲勞極限，用表示。表示應力循環(huán)次數(shù)N與疲勞極限的關系曲線稱為疲勞曲線。如圖4.8為脈動循環(huán)變應力疲勞曲線，從疲勞曲線可以看出，材料疲勞有以下特點：

　　圖4.8為脈動循環(huán)變應力疲勞曲線

　　(1) 應力循環(huán)次數(shù)N>N₀時，疲勞曲線為水平線，疲勞極限不再隨著循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生變化，稱這個應力循環(huán)區(qū)為無線壽命區(qū)。N₀為循環(huán)基數(shù)，不同材料及不同的材料特性有不同的N₀值，060X SAE J1392-84的

　　(2) 應力循環(huán)次數(shù)N0時，疲勞極限隨N的增加而降低，稱這個應力循環(huán)區(qū)為有限壽命區(qū)。在有限壽命內(nèi)，與N滿足：

? ? 　式中 m-----隨著材料和應力狀態(tài)而定的指數(shù)。對于鋼，拉應力、彎曲應力、切應力時m=9

　　C-----試驗常數(shù)

　　在一定的應力循環(huán)次數(shù)N下，有

?

?

式中K_N------壽命系數(shù)

?

　　4.2.3鋼的極限應力計算式(如表4.3)

　　表4.3 極限應力計算式

　　4.2.4影響上海汽車1.8T自動幅板總成疲勞強度的主要因素

　　(1)應力集中 幅板受載荷時，其剖面積和形狀突然變化處(如圓角、孔)的局部應力要遠遠大于其名義應力，即幅板的孔處應力集中。常用有效應力集中系數(shù)來考慮應力集中對疲勞強度的影響：

?

　　式中----零件幾何形狀的理論應力集中系數(shù)。查圖4.9

　　圖4.9 理論應力集中圖

　　q-------材料對應力集中的敏感系數(shù)。鋼材的敏感系數(shù)q可根據(jù)強度極限查圖4.10

　　圖 4.10 鋼的敏感系數(shù)

　　(2)幾何尺寸 其他條件相同時，尺寸越大的零件疲勞強度越低。這是由于尺寸越大，材料晶粒越粗，出現(xiàn)缺陷的概率就越大，以及機加工后表面冷作硬化層相對減薄等原因引起的。

　　剖面尺寸對零件疲勞強度的影響可用絕對尺寸系數(shù)ε來反映。

　　圖4.11 鋼的尺寸系數(shù)

　　(3) 表面狀態(tài) 當其他條件相同時，零件表面越粗糙，其疲勞強度越低。表面狀態(tài)對疲勞極限的影響可用表面狀態(tài)系數(shù)β來反映。

　　圖4.12 鋼材的表面狀態(tài)系數(shù)

　　4.2.5穩(wěn)定變應力安全系數(shù)的計算

　　在每次循環(huán)中，平均應力、應力幅和循環(huán)周期不隨時間而變化的應力，稱為穩(wěn)定變應力。穩(wěn)定變應力下機械零件的強度計算采用安全系數(shù)法判定危險截面處的安全程度，即

　　綜合影響系數(shù)

　　應力幅計算安全系數(shù)的公式為

　　式中等效系數(shù)

　　屈服強度安全系數(shù)為

　　4.2.2 校合幅板脈動循環(huán)時曲軸孔處危險剖面的安全性

　　圖 4.13 上海汽車1.8T幅板產(chǎn)品圖

　　(1)產(chǎn)品參數(shù)

　　材料為060X SAE J1392-84，

　　硬度為85HRB,板厚度2mm,應力循環(huán)次數(shù)不低于10⁶，

　　根據(jù)理論最大安裝角度偏差0.5度，用循環(huán)彎曲應力疲勞試驗臺架模擬，如圖4.14

　　已知：G1為彎曲桿與垂桿總重為13.6KG即13.6 X 9.8=133.28N

　　G2為砝碼總重為57KG即57X 9.8=558.6N

　　d1為彎曲桿長度為340mm

　　d2為螺栓孔位置為28mm

　　圖4.14 幅板受力圖

　　根據(jù)力矩平衡的原理：

　　F1 X d2 = G1 X d1/2 + G2 X d1

　　因此可得最大脈動循環(huán)應力F1：

　　F1=3428.7N，即彎曲應力F=0～7592N

　　(3) 計算應力

　　危險剖面在的螺栓孔處，面積

?

?

?

(4)計算疲勞強度安全系數(shù)

　　查圖4.9和圖4.10得，則

　　由式(4.6)：

　　查圖4.11和圖4.12得=0.89

　　由于幅板的粗糙度Ra<1.6,故選擇精車檔=0.9則

　　(4) 計算屈服強度安全系數(shù)

由式(4.10)得

　　(5) 結(jié)論

　　由于=1.36接近于=1.86，故加上實際工作過程中幅板除受到循環(huán)彎曲，還受到軸向載荷、扭矩載荷與離心力等，所以量產(chǎn)后存在幅板斷裂的隱患。

　　5. 幅板改進

　　5.1改進方案

　　通過對幅板斷裂的理論論證，發(fā)現(xiàn)可以通過增加應力循環(huán)次數(shù)N來提高幅板的安全系數(shù)。而增加應力循環(huán)次數(shù)N與材料的剛度有關，而剛度可以通過幅板的形狀而改變。故在與上海汽車反復驗證后，在幅板上增加去應力孔，來改變幅板的剛度，增加幅板的柔韌性。(如圖5.1)

　　圖 5.1 應力孔尺寸

　　5.2 CAE對比論證

　　在同等偏差安裝角度5度的情況下，進行模擬循環(huán)彎曲試驗。

　　5.2.1 老狀態(tài)最小循環(huán)次數(shù)

　　n_min = 105.65 =446,683循環(huán)

　　圖5.2 老狀態(tài)循環(huán)次數(shù)

　　5.2.2 新狀態(tài)最小循環(huán)次數(shù)

　　n_min= 106.63 = 4,265,795循環(huán)

　　圖5.3 新狀態(tài)循環(huán)次數(shù)

　　5.3 試驗對比論證

　　5.3.1試驗條件

　　(1)試驗設備

　　通過循環(huán)彎曲應力疲勞試驗臺模擬實際工作安裝

　　圖 5.4 循環(huán)彎曲應力疲勞試驗臺

　　(2) 輸入轉(zhuǎn)速=2400±20r/min

　　(3)試驗要求加載角度為：0.5°±0.02°，由于是對比論證，在不影響試驗結(jié)果的情況下，為了盡快的得到試驗數(shù)據(jù)，加載角度變更為：0.7°±0.02

　　5.3.2試驗程序

　　(1) 將幅板總成正確安裝在試驗臺架上;

　　(2)調(diào)整彎曲桿的跳動≤0.08mm

　　(3) 緊固連接飛輪總成與夾具體的螺釘，并使用百分表檢測彎曲桿的跳動，使其≤0.12mm;

　　(4) 加減配重塊，使讀數(shù)在要求范圍內(nèi);

　　(5) 將限位開關放在配重塊上;

　　(6) 插上防護罩插銷;

　　(7) 在測試軟件中輸入循環(huán)次數(shù)，開始試驗;

　　5.3.3 試驗對比結(jié)果

　　(1)老狀態(tài)：幅板加載角度為：0.7°±0.02°,循環(huán)次數(shù)70萬次，幅板總成在曲軸孔處出現(xiàn)細微裂紋.

　　圖5.5 老狀態(tài)裂紋位置

　　(2)新狀態(tài)：幅板加載角度為：0.7°±0.02°, 循環(huán)次數(shù)130萬次，幅板總成在去應力孔處出現(xiàn)可見裂紋。

　　圖5.6 新狀態(tài)裂紋位置

　　5.4結(jié)論

　　通過CAE仿真模擬與實際試驗結(jié)果，新狀態(tài)去引力孔方案大大提高了上海汽車1.8T自動幅板總成的疲勞極限，初步可以斷定，新狀態(tài)幅板總成已解決了售后市場出現(xiàn)個別汽車行駛至30000到50000公里時汽車無法啟動，自動飛輪總成出現(xiàn)裂紋的情況。

　　6. 總結(jié)

　　通過上海汽車1.8T自動幅板總成斷裂的現(xiàn)象表明，即使材料在靜載荷作用下的屈服應力低于屈服極限，只要經(jīng)歷一定數(shù)量的應力循環(huán)，這種交變應力也會引起幅板總成的突然斷裂，且斷裂前無明顯的塑性變形。這種疲勞失效的原因是幅板總成尺寸突變或內(nèi)部缺陷部位的應力集中誘發(fā)微裂紋;在交變應力作用下，微裂紋不斷萌生、集結(jié)、溝通，形成宏觀裂紋并突然斷裂。

　　所以在今后的幅板設計開發(fā)中，我們可以通過在幅板的合適位置上去應力孔的方案，降低幅板的剛度，增加幅板疲勞極限，杜絕產(chǎn)品批量后出現(xiàn)幅板斷裂的現(xiàn)象。