灰铸铁飞轮疲劳失效分析

候亚林　包泽翊　孙茂军　陈常云

摘 要：大马力飞轮是商用车一款大马力发动机的零部件，其搭载大马力发动机为商用车提供动力总成。飞轮在工作期间，因经常与离合器摩擦，售后市场出现离合器打滑，起步困难、抖动较大等整车问题，拆解后发现，飞轮表面出现磨损不平、表面微裂纹为主要的失效形态的现象。

关键词：灰铸铁飞轮;疲劳失效;失效分析;飞轮模拟整车试验

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-139-03

前言

飞轮是一个转动惯量很大的盘形零件，作为启动马达的被动件，是离合器的主要动件。飞轮的摩擦面在汽车行进时，是和离合器的离合器片相接触而将动力传至变速箱。飞轮的作用如同一个能量存储器，由于发动机各个缸的做功是不连续的，所以发动机转速也是变化的。当发动机转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来;当发动机转速降低时，飞轮动能减少，把能量释放出来[1]。飞轮可以用来减少发动机运转过程的速度波动，从而使发动机运转平稳并减小振动和噪声。飞轮在工作期间，由于飞轮在与离合器分离和结合的瞬间，与飞轮平面存在转速差，从而产生干滑动摩擦，使飞轮平面产生磨损。从目前售后返回失效件的统计来看，见下图1，失效形态多为飞轮表面不均匀磨损。本文将从光谱化学成分检测、硬度检测、金相检测、飞轮模拟整车试验等方面对飞轮售后疲劳失效进行分析。

1 飞轮磨损失效分析

1.1 外观检查

对失效件进行外观检查，飞轮表面存在不均匀磨损、龟裂纹、部分飞轮表面存在沟槽现象，见图2：

1.2 化学成分检查

在失效的飞轮上取样，使用碳硫分析仪、分光光度计、光谱仪对失效件飞轮样品化学成分进行检测，结果见表1：

依据客户下发的商用车发动机用飞轮铸造技术条件中的化学成分参考标准，从检测结果来看，化成成分检测符合标准要求。

1.3 硬度检测

在飞轮本体上取样，试样尺寸参见标准《GB/T 9439-2010  灰铸铁件》8.3项[2]。硬度测量部位为飞轮摩擦面一侧。按照《GB/T 231.1-2008  金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》[3]的要求在测量硬度之前将检测面磨去1.5mm左右，主要是保证去除表面氧化和硬化层，试样表面粗糙度保证小于Ra1.6。硬度检查时，采用Ф5的压头7.355kN的试验力测试布氏硬度。图纸要求硬度HBW210-240，实测HBW227、HBW225，符合图纸要求。

1.4 金相组织检测

HT250的基体组织是珠光体+铁素体，技术标准要求珠光体含量≥95%，A型石墨，石墨等级2～6级。对未磨损位置飞轮取样检测金相组织，检测依据《GB/T 7216-2009灰铸铁金相检验》[4]，试样抛光后检测石墨分布状态，石墨形态A型为主，石墨长度等级4级，经4%的硝酸酒精溶液腐蚀后检测珠光体含量，基体组织为100%珠光体，金相组织符合要求。

2 飞轮模拟整车试验

为了查找飞轮失效的原因，对飞轮进行模拟整车工况试验。

第一轮试验依据整车满载（55T）条件开展试验，试验参数见下：

试验台转速Speed=1200rpm;

能量Energy=124KJ;

惯性Inertia= 15.68 kg·m?;

温度Temperature=300℃;

试验循环间隔：45s;

滑摩时间：0.6s。

试验时在飞轮摩擦面背面设置6个温度传感器，分布在φ252、φ420的两个圆周上，传感器的分布呈120°均布，离合器从动盘表面设置2个温度传感器，传感器的分布呈180°对称分布在φ414的圆周上，加载后进行满载连续摩擦试验。当传感器温度到达300℃时停止试验，此时试验循环次数为5000次，测量飞轮及离合器从动盘的磨損量，此时飞轮磨损量0.292mm，从动盘磨损量0.536mm。

为模拟飞轮表面裂纹现象，在完成飞轮与离合器从动盘磨损量检测后继续试验，试验循环至5800次时，离合器从动盘破损，试验停止，此时飞轮表面未出现裂纹现象。

第一轮试验中飞轮表面未出现裂纹，为进一步分析裂纹产生原因，开展第二轮模拟整车试验，第二轮试验按超载（80T）条件开展试验，试验参数见下：

试验台转速Speed=1200rpm;

能量Energy=190KJ;

惯性Inertia= 24.0 kg·m?;

温度Temperature=400℃;

试验循环间隔：35 s;

滑摩时间：2s。

与第一次试验不同，第二轮采用反复升温方式进行试验，当传感器温度达到400℃时停止试验，此时飞轮摩擦面表面温度在650℃-800℃之间，试验进行到第三次时飞轮表面出现裂纹，试验循环次数与温度变化见图3，飞轮表面热龟裂状态见图4。

试验表明，在试验条件下，离合器连续接通300次摩擦面温度才升至800°C左右，然而车辆在一般使用条件下，离合器不会如此频繁使用。

3 结论

通过以上磨损失效分析及飞轮模拟整车试验，飞轮的材质符合图纸要求，飞轮结构设计、产品性能不是失效的主因。

3.1 飞轮磨损

（1）导致飞轮磨损的主要异常热源来自从动盘工作时与飞轮的摩擦及非正常震动;

（2）飞轮表面摩擦磨损属于正常现象，允许范围内出现的飞轮表面磨损，或磨损后动平衡性能良好，则不会影响飞轮的正常使用;

（3）飞轮表面的异常磨损一般是由于非正当驾驶操作导致，如离合器无自由行程，或离合器压盘压力不足，使离合器与飞轮经常处于半离合状态，从而加剧了飞轮平面的磨损。当离合器摩擦片磨损到极限后，露出的铆钉头会将飞轮表面刮出沟槽，损伤飞轮平面，导致表面异常磨损，失效形态见图2c。

3.2 飞轮表面裂纹

（1）飞轮表面龟裂是典型的摩擦副特有的“龟裂”，飞轮表面小的龟裂不影响产品使用;

（2）從飞轮与从动盘离合器功能分析以及第一轮试验数据看，飞轮与从动盘离合器之间主要功能是实现力矩的传

递，不是“摩擦副”，正常使用情况不会出现“龟裂”现象。从实际失效件与第二轮数据看，当飞轮与从动盘离合器之间在非正常工作时，如反复频繁高速摩擦、冷热骤变，导致产生了异常摩擦。当工作中存在频繁高速摩擦，必然会产生“龟裂”现象。

为减少飞轮表面磨损及裂纹，可以考虑改善飞轮材质，如提高硬度、添加合金元素[5]，同时也需要避免整车超速、超载及非正常工作的现象。

参考文献

[1] 詹宇平.柴油机上飞轮的作用[J].农机能源，2006（12）.

[2]《GB/T 9439-1988 灰铸铁件》[M].1版.北京：中国标准出版社，2010.

[3]《GB/T 231.1-2008金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》[M].1版.北京：中国标准出版社，2010.

[4] 《GB/T 7216-2009 灰铸铁金相检验》[M].1版.北京：中国标准出版社，2010.

[5] 张永振，铸铁的干滑动摩擦磨损[J].现代铸铁，2000（2）.