飛輪-發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)件的優(yōu)化工藝

飛輪作為發(fā)動機(jī)的輸出端，又是一個旋轉(zhuǎn)件，工件的工作穩(wěn)定性直接影響整機(jī)的使用效果，決定了整機(jī)使用壽命的長短，同時影響飛輪輸出端部分關(guān)聯(lián)件的使用壽命。飛輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，不平衡量直接影響發(fā)動機(jī)的安全系數(shù)，如何在設(shè)計與制造過程中提高飛輪的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、最小化動平衡剩余量、提高生產(chǎn)效率以及降低工藝成本，已經(jīng)成為提高產(chǎn)品競爭力的核心技術(shù)。本項目通過對飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新工藝的研究，優(yōu)化和改善飛輪動平衡有關(guān)問題，獲得高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的飛輪總成，取得了良好的應(yīng)用效果和社會經(jīng)濟(jì)效益。1.動平衡輕點標(biāo)識發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)件的動平衡去重檢測工序，受工藝裝備自身精度等多方面的影響，不能保證每個平衡件的最終剩余不平衡量達(dá)到“零”的理想狀態(tài)。在各個旋轉(zhuǎn)件的裝配使用中不考慮其自身不平衡量的位置，在裝配后旋轉(zhuǎn)部件的動平衡量會疊加，大大降低發(fā)動機(jī)的平穩(wěn)性，影響整車的駕乘體驗。通過動平衡去重檢測件的不平衡量輕點的標(biāo)識（見圖1），即在動平衡去重最終剩余量的位置單獨(dú)增加特殊標(biāo)記，便于整車廠裝配時與對應(yīng)的配合關(guān)聯(lián)件的不平衡量重點相中和，使旋轉(zhuǎn)部件的平衡精度趨于理想狀態(tài)。圖1不平衡量輕點的標(biāo)識2.動態(tài)仿真應(yīng)用傳統(tǒng)鑄造件通過鑄造模具設(shè)計制作的經(jīng)驗鑄造出的飛輪毛坯，難免有些批次的毛坯在鑄造過程中存在質(zhì)量缺陷，流入機(jī)加工車間導(dǎo)致動平衡工序的去重孔數(shù)量增多，甚至不平衡量超出機(jī)床設(shè)定值，無法進(jìn)行動平衡去重檢測，這樣就導(dǎo)致部分去重孔較多的飛輪件的使用壽命大打折扣，剛性降低。通過計算機(jī)輔助設(shè)計軟件如Pro/E建立數(shù)模，把飛輪三維數(shù)模導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，仿真模擬飛輪在額定轉(zhuǎn)速以及高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的爆裂情況。通過ANSYS有限元分析軟件，為解決飛輪因高速旋轉(zhuǎn)而發(fā)生斷裂破壞缺陷的情況提供理論依據(jù)，降低產(chǎn)品設(shè)計風(fēng)險，減少產(chǎn)品工藝試制成本，避免因結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致的鑄造缺陷，加快飛輪新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度。3.總成件狀態(tài)供應(yīng)飛輪國內(nèi)多數(shù)飛輪供應(yīng)商以飛輪零件形式供應(yīng)，但是從動平衡精度來分析，在整機(jī)廠改變最終零件形態(tài)降低飛輪總成件的動平衡精度，會直接影響整機(jī)振動幅度，降低產(chǎn)品品質(zhì)。飛輪件在發(fā)動機(jī)上是以部件（圖2飛輪和圖3齒圈裝配組合）的形式存在，并旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。供應(yīng)飛輪件時，以飛輪為最終件做去重動平衡檢測，整機(jī)裝配線在裝配齒圈后不再做動平衡檢測。由于裝齒圈后平衡量發(fā)生變化，因而影響整機(jī)動平衡質(zhì)量。圖2飛輪示意圖3齒圈示意（1）飛輪件動平衡去重檢測分析經(jīng)過對工藝試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可以得出以下數(shù)據(jù)：動平衡量設(shè)計要求≤40g·cm，飛輪件去重動平衡檢測20～25g·cm，裝齒圈后動平衡檢測35～45g·cm。（2）熱裝齒圈后飛輪部件動平衡檢測數(shù)據(jù)分析動平衡量設(shè)計要求≤40g·cm，飛輪總成件去重動平衡檢測20～25g·cm，飛輪總成件動平衡檢測20～25g·cm。通過上述工藝試驗可以驗證，以飛輪部件的形式供應(yīng)，在裝配齒圈后的總成件上做去重動平衡檢測，整機(jī)裝配線不再改變飛輪總成的狀態(tài)，從而可以直接提升整機(jī)的動平衡品質(zhì)。因此，與整機(jī)廠溝通飛輪供應(yīng)以總成件即部件的最終形式直接流入總裝線，這樣將不會再改變飛輪件的動平衡精度，從而提升飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。4.統(tǒng)一基準(zhǔn)模擬飛輪與曲軸聯(lián)接方式，從飛輪的實際使用情況設(shè)計動平衡去重檢測的定位基準(zhǔn)，即動平衡去重檢測的工藝基準(zhǔn)與飛輪的實際使用基準(zhǔn)相一致，確保動平衡最終剩余量的檢測數(shù)據(jù)滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，達(dá)到動平衡量的可控性，從而提升飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。傳統(tǒng)動平衡去重檢測設(shè)備受設(shè)備穩(wěn)定性的限制，多數(shù)把去重機(jī)構(gòu)設(shè)計為從上往下的結(jié)構(gòu)，兼顧飛輪產(chǎn)品圖樣去重孔的位置要求，但動平衡去重檢測的定位基準(zhǔn)與產(chǎn)品圖樣設(shè)計基準(zhǔn)不統(tǒng)一，并且導(dǎo)致動平衡檢測基準(zhǔn)與圖樣不統(tǒng)一，影響動平衡最終不平衡量的精度。通過對飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)的研究，結(jié)合產(chǎn)品圖樣要求，按照基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，確保產(chǎn)品設(shè)計基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)以及檢測基準(zhǔn)滿足此產(chǎn)品的實際使用工況，引進(jìn)自下往上的去重平衡機(jī)（見圖4），提高飛輪動平衡去重檢測精度，保證飛輪動平衡最終剩余量最小化，提升飛輪旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。圖4自下往上的去重平衡機(jī)5.優(yōu)化車床卡爪結(jié)構(gòu)1）優(yōu)化設(shè)計卡爪結(jié)構(gòu)，增加卡爪夾持面積，如圖5所示。2）固化卡爪液壓夾緊力的穩(wěn)定輸出值（見圖6）。跳動的Xbar-R控制及過程能力分別如圖7、圖8所示，分析數(shù)據(jù)可得，跳動的均值約為0.034mm，圖樣要求0.05mm，此車削工序質(zhì)量可控。a）卡爪夾緊b）卡爪張開圖5扇形卡爪a）壓力表1b）壓力表2圖6液壓站卡盤壓力表平面度的Xbar-R控制及過程能力分別如圖9、圖10所示，分析數(shù)據(jù)可得，平面度的均值約0.024mm，圖樣要求0.03mm，此車削工序質(zhì)量可控。6.加嚴(yán)平衡工藝在滿足飛輪產(chǎn)品設(shè)計不平衡量技術(shù)要求的前提下，通過加嚴(yán)工藝要求，設(shè)計要求由40g·cm提高到30g·cm，盡量減少設(shè)計基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)和檢測基準(zhǔn)不統(tǒng)一造成的誤差，提升動平衡檢測工序能力。7.優(yōu)化動平衡夾具設(shè)計原動平衡工序使用的夾具（見圖11）是利用定位錐通過下拉彈性脹套的變大而產(chǎn)生的脹緊力實現(xiàn)工件自定心與夾緊功能。從圖11中的示意分析可以看到，夾緊力（N）對工件分解為徑向力（N1）和向上的軸向力（N2），向上的軸向力影響工件與動平衡夾具的定位接合程度，大大降低了動平衡精度。為避免產(chǎn)生向上的軸向力而對動平衡精度造成影響，需要重新優(yōu)化動平衡夾具結(jié)構(gòu)，采用倒錐式下拉脹套式的新型夾具（見圖12），通過驗證可以很好地消除向上的軸向力。利用倒錐式拉桿向下拉，使倒錐式脹套直徑變大，產(chǎn)生一個徑向力N1和向下的軸向力N2，工件被N1夾緊的同時實現(xiàn)自定心功能，再由N2把工件向下壓使基準(zhǔn)面與夾具定位面牢牢結(jié)合在一起，提高動平衡去重檢測精度。圖7跳動的Xbar-R控制圖8跳動的過程能力圖9平面度的Xbar-R控制圖10平面度的過程能力圖11原動平衡夾具示意1—定位錐座2—彈性脹套圖12倒錐式夾具示意1—倒錐式脹套2—倒錐式拉桿圖13滾齒夾具示意1—底座2—防轉(zhuǎn)銷3、11、16、19—內(nèi)六角圓頭螺釘4—脹瓣體5—脹瓣6—壓盤7—壓圈8—直通式壓柱油杯9—快換壓板10—鎖緊螺母12—調(diào)節(jié)桿13—連接盤14—墊圈15—螺紋套17—彈簧18—錐套采用倒錐式定位夾緊動平衡夾具進(jìn)行動平衡去重檢測，動平衡量設(shè)計要求≤40g·cm，原夾具定位動平衡檢測30～40g·cm，倒錐式定位夾緊動平衡檢測20～25g·cm，其平衡精度明顯優(yōu)于原平衡夾具。8.設(shè)計滾齒夾具齒圈作為飛輪部件的關(guān)鍵件，也是發(fā)動機(jī)起動的易損件之一，其嚙合精度影響整個發(fā)動機(jī)的起動速度、平穩(wěn)性以及客戶舒適性。通過優(yōu)化設(shè)計滾齒夾具（見圖13），保證齒圈全齒高尺寸的均勻性以及單工序最大產(chǎn)出的能力；考慮齒圈內(nèi)孔外圓精車工序的實際加工精度，通過脹瓣自定心性消除齒圈工件內(nèi)孔工序加工尺寸一致性差的誤差，提高齒圈滾齒工序中全齒高尺寸的質(zhì)量穩(wěn)定性；利用脹瓣結(jié)構(gòu)夾緊工件，保證齒圈精車工序精度要求，減小自身變形量，大大提高工序產(chǎn)出能力。擰緊螺母，受壓后壓圈向下運(yùn)動，脹瓣被動向下運(yùn)動，在錐體的結(jié)構(gòu)影響下，脹瓣越向下直徑越大，從而把齒圈內(nèi)孔脹緊，消除內(nèi)孔自身橢圓間隙，起到定心作用。9.結(jié)語目前國內(nèi)大部分飛輪加工