工程机械发动机起动齿非正常失效探析

摘要:发动机起动齿圈非正常失效对工程机械的正常运行和生产的持续都会产生不良影响。从生产制造装配领域对直接导致非正常失效的几种情况进行分析和探究，为今后工艺技术改进、设备的正常运行提供参考。

关键词:工程机械;发动机起动齿圈;失效

0引言

工程机械一直是重大生产建设领域不可或缺的重要机具，因其生产效率高、适应范围广、输出功率和扭矩大等特点颇受用户青睐。由于自身具有生产难度大、制造工艺水平要求高等特点，各国都把工程机械的制造装配水平作为衡量一个国家工业科技实力的重要标志，由此可见，作为动力源的内燃发动机在整个系统中的重要性不言而喻。当中作为发动机起动核心零部件之一的起动齿圈，一旦发生非正常失效将直接影响设备的正常工作和使用。相比非正常失效，发动机起动齿圈的常规失效领域主要集中在使用环节，这种常规失效的出现属于情理之中，因为机械零部件只要被使用就会产生磨损、锈蚀和冲击等，这些失效形式的出现是发动机起动齿圈正常使用过程中零部件疲劳的一种必然结果［1］。与之相对的还有非正常失效，它出现的时机、形式具有很大的随机和不确定性，但是它造成的危害则相当严重，不仅会影响设备正常工作，造成工程进度的延缓，甚至会危及现场工作人员的人身安全。所以，有效避免发动机非正常失效，不但可以延续零部件的正常使用周期，而且可以推迟零部件疲劳期的提前。

1工作原理与性能特征

1.1工作原理

发动机起动齿圈是安装在发动机飞轮外部的一圈有轮齿的金属零件，其作用主要是通过轮齿与起动电机啮合，将起动电机的电能转化为机械能继而带动发动机飞轮进行转动，同时将起动势能转化为动能。因为工程机械对动力性和发动机输出功率有比较高的要求，所以当前设备的动力源依然以内燃发动机为主，而且通常缸径较大，主流发动机基本已经从120为主逐步转换为以135为主，因此起动齿圈的齿数相对也较多。

1.2性能特征

由于工程机械的工作现场环境比较复杂，设备负载大，这就要求起动齿圈在工作时零部件具有良好的抗冲击性能。同时，为保证设备能够满足长期高负荷运转的需求，齿圈轮齿的芯部还要求具有良好的韧性，以便于能够吸收轮齿间啮合产生的冲击能量，而不至于使轮齿崩断。为此，在材料的选择和热处理工艺上就要兼顾加工和使用两方面的需求。现在一般主机厂使用的起动齿圈材料也经过一番变革，过去因在技术上主要是借鉴日本同类产品的指标，基本都是选用20钢，现在基本以45中碳钢为主。因为45钢的综合性能指标和材料性能可以满足和保证日常生产使用要求，同时其综合技术指标比过去的20钢也有重大提升。

2起动齿圈失效形式及原因

飞轮起动齿圈从外部形状而言属于环形结构，在正常使用过程中由于连续的摩擦、冲击和频繁的啮合接触等原因，致使轮齿表面出现点蚀、磨损、折断等现象，导致轮齿间噪声、间隙变大，甚至无法正常啮合，机构间无法进行运动传递，进而导致整个飞轮起动总成失效。上述现象是设备长期连续工作导致的结果，属于正常工作状态下的正常失效。除此之外，在工程机械的工作现场偶尔还会遇到轮齿崩裂、折断、打齿、裂纹等情况。此类情形并非属于正常现象，而且出现的时机、位置往往具有突发和随机性，所以把此类失效形式归为非正常失效。因为非正常失效的形式多样、成因复杂，所以在分析过程中一般都采用逆推法，即从生产制造和装配源头去理清成因，避免今后类似问题的再次出现。

2.1热处理导致新齿断裂

在起动齿圈生产制造过程中通常都安排有机加工和热处理工序，为保证产品质量符合技术要求，生产过程中都会对工艺路线、方法和步骤等进行有针对性的改善，以期取得合格的产品。现在在热处理环节广泛采用感应(高频)淬火，在实施过程中要求保持轮齿齿面淬透，同时齿根具有一定的硬化深度，齿根内部则要求具有一定的韧性。因为在工作过程中，轮齿表面具有一定的硬度就可以有效避免冲击带来的损害，还可以吸收轮齿冲击产生的能量使轮齿不会折断。如果轮齿齿根未达到有效硬化深度，就会在轮齿齿面形成残余压应力，而没有得到有效硬化的齿根则表现为弯曲拉应力，弯曲拉应力会使齿根的弯曲疲劳强度明显降低，严重者会致使齿根折断等［2］。也就意味着在工作过程中出现的轮齿折断实际与齿根没有淬火硬化到位、齿面有残余压应力有很大关系。因为齿根部位的弯曲疲劳强度降低以后，齿面的残存压应力在工作过程中会对齿根形成一定的压力，当瞬时产生的力足够大时，就会使其折断。实践证明起动齿圈的热处理硬化深度没有达到规定要求，是起动齿圈发生非正常折断的主要原因之一。

2.2材料裂纹与原理误差导致失效

工程机械起动齿圈材料目前虽然以45钢为主，但是也有一些产品因使用要求的原因，在材料的选择上存在差异。例如:某公司在其150系列大功率高速柴油机上，起动齿圈选择45Cr钢，在高频淬火过程中极易产生裂纹。其中既有热处理工艺的原因，也有材料自身的原因(碳含量高)，这是最常见的非正常失效形式，还有轮齿齿根与节圆位置在热处理过程中也容易产生开裂［3］。作者原工作单位在齿圈的生产过程中也多次遇到上述类似问题，原因在于原材料供应单位的钢材含碳量过高，导致材料硬度过大，再经过淬火后轮齿表面硬度高于60HRC(设计要求在55～58HRC)。一旦投入工程机械使用遇到瞬时受力过载，就会导致在应力集中部分发生非正常失效。这种失效情形具有一定的隐蔽性，并非设计原理问题和常见现象，一旦发生排查起来有很大难度，但确实是导致失效的主要成因。除此之外，还有齿根部位的设计问题。齿根相对强度不足、齿根圆角曲率的大小也是导致失效的一个诱因［4］。

2.3加工过程导致失效

作者原工作单位在起动齿圈经过机加工工序后，后续会安排滚齿和倒角工序，毛坯件在滚齿和倒角后，在齿面和齿根处实际会留有加工积痕。这是刀具在工件表面滚过、与材料接触而形成的一种推挤现象。如果不加以清除，在后期零部件装配投入使用后，积痕处会形成应力集中区，应力集中点就位于积痕位置上，轮齿的失效率先从积痕位置展开，有些轮齿的崩断就与此有关。为此，在机加工工序结束后，往往要安排一个光整工序，通过光整清除积痕，避免以后在设备投入使用后而发生非正常的失效。

2.4过盈装配及质量管理问题

发动机起动齿圈与飞轮装配过程中采用过盈配合，过盈量的大小直接关系到起动齿圈与飞轮接触面上的应力大小，而且这种变化是成正比变化［5］。过盈配合过程中，对零部件产生的压力相比较也是随着过盈量的变化而变化。为防止非正常失效的出现，保证零部件装配完毕后的正常使用，对过盈量的控制显得尤为重要。其次是对整个生产制造过程中质量的监管问题。除去原理性问题外，很多非正常失效来源于质量管理问题，比如检验环节，在对零件进行磁粉探伤后，还要进行其他技术检验，除去材料含碳量的检测，热处理后零件硬度的检验、生产中形位尺寸的检验等也是关键。当前尽管汽车行业已经全部纳入16949体系化管理，但是在具体操作过程中依然有个别问题亟待提高和解决。

3解决对策和方法

针对导致工程机械发动机起动齿圈非正常失效的原因，要彻底解决需要先解决好几个方面的问题。首先，要严把选材关。对进入生产流程的原材料进行理化检验，确保元素指标符合技术要求。在毛坯锻造过程中，防止因为锻造工艺不合理而导致的金属内部组织的应力集中、开裂等问题出现，要从源头开始监管并加以杜绝。重点严控生产装配环节，针对机加工过程中在工件表面产生的积痕，要安排专门工序进行清理，防止应力集中存在。在热处理工序环节，对不同形状尺寸的齿圈要严格工艺要求，防止出现过淬或者欠淬以及淬不透等现象。同时，做好全程的检验规程的制定和安排，要把抽检和自检相结合，防止由于疏漏导致不合格品的流出。最后，要加大对安装和装配工人的培训，做好工装夹具精度的控制，从装配环节控制误差范围和检测工作［6］，确保起动齿圈生产制造装配环节质量，消除非正常失效的源头。

4结语

在工程机械迅猛发展的今天，发动机起动齿圈质量的优劣决定了内燃机正常持续工作的周期，因为起动齿圈的问题很可能导致整台设备提前出现非正常失效。这种现象造成的影响和损失是巨大的，研究非正常失效就是为正常工作提供技术保障和支持，未来尽可能减少或者不发生非正常失效的现象，使设备能长期发挥它的优势，创造更多的价值

作者：李盛 单位：四川工业科技学院