发动机依靠驱动齿轮与发动机飞轮盘外缘的飞轮齿圈相互啮合来传递动力，进而启动发动机。在发动机实际运行过程中，受设计、加工或装配等因素的影响，可能会出现齿轮啮合不佳的情况，或者由于齿根强度不足而引起断齿、磨齿等现象，最终导致发动机故障。因此，深入分析飞轮齿圈断裂原因，并提出有效的改进措施，具有重要的现实意义。
本文以某款2. 8 L柴油发动机的飞轮齿圈为研究对象，针对其断齿问题，采用故障树分析(FTA)法，从材料化学成分、硬度、金相组织、断口以及齿圈强度等多个方面进行详细检测和分析，以期探明飞轮齿圈断齿的根本原因，并为改进设计和制造工艺提供科学依据，从而有效提高飞轮齿圈的可靠性和耐久性，确保发动机稳定运行。
一、故障现象
根据2. 8 L发动机的市场故障信息统计，近3年来，飞轮齿圈频繁出现断齿故障，如图1所示。出现断齿情况的发动机行驶里程均在1万km以内，属于早期失效。由图1可见，飞轮摩擦面无异常磨损和烧蚀，其背面也无异常状况;齿圈中有1个齿从根部断裂，其相邻的2个齿有轻微磨损，其余齿面无磨损。
二、原因分析
飞轮齿圈的材料为45号钢，供应商的制造工艺流程如图2所示。为查找齿圈断齿原因，采用二分法进行FTA，如图3所示。
通过FTA可系统梳理可能导致断齿的各类因素及其逻辑关系，有助于针对性实施相应改进措施，从根源上彻底解决飞轮齿圈断齿问题，进而保障发动机正常运行。
通过实施飞轮齿圈齿形检测、发动机与齿圈匹配评估、发动机功能功率扭矩参数调研，以及故障发动机轴系检查等一系列工作，排除齿圈本身存在应力集中和发动机冲击载荷过大，致使齿圈受异常外力而断齿的可能。为深入查明断齿原因，本研究进一步从故障齿圈的材料理化性能、热处理和理论强度校核等方面进行排查。
齿圈理化性能检测
对2个故障齿圈材料成分进行检测，飞轮齿圈故障件化学成分见表1。由表1可以看出：各种元素的材料成分均符合45号钢的标准要求。
飞轮齿圈齿顶需进行淬火处理以保证有足够硬度与发动机小齿轮啮合，要求淬火后齿面洛氏硬度为50～55 HRC。对故障飞轮齿圈硬度进行检测，结果见表2。
由表2可以看出：飞轮齿圈故障件的硬度检测结果均满足要求。齿圈硬化层分布对飞轮齿圈的使用寿命至关重要，飞轮齿圈淬火硬化时需淬透齿面且齿根要有一定硬化深度。若齿根未被有效硬化，则齿面淬透处会产生残余压应力，齿根产生残余拉应力，这个残余拉应力会明显降低齿根处的弯曲疲劳强度，从而降低齿圈的使用寿命。当硬化层沿齿面分布(齿根未硬化)时，齿轮的弯曲疲劳强度仅为硬化层沿齿廓分布(齿根硬化)时的50%左右。根据 JB 4187—1986 《汽车发动机飞轮齿圈技术条件》，齿槽底部硬化层深度不应小于0. 5 mm。为保证淬火有效性，淬火硬化层深度要超过飞轮齿圈齿根0. 5～3. 0 mm 。由表2可知，虽然淬硬层沿齿面均匀分布，但是齿根处硬化深度不达标，发生断齿的2. 8 L发动机飞轮齿圈淬硬层深度未覆盖至齿槽以下，故不符合设计标准。综上，该失效飞轮齿圈沿齿根整齿折断与齿根硬化深度不够进而导致齿圈弯曲疲劳强度不足存在因果关系。
齿根是齿轮结构设计的薄弱环节，过渡圆角曲率半径大小直接影响齿根应力集中程度，过渡圆角越小，应力集中程度越强。按照GB/T 1356—2001《通用机械和重型机械用圆柱 齿轮 标准基本齿条齿廓》要求，齿根过渡圆角半径≥0. 38m(m为齿圈模数，本文齿圈模数为2. 75)。2. 8 L发动机飞轮齿圈的齿根过渡圆角设计值为1. 0～1. 5 mm，基本符合设计标准要求(≥1. 045 mm)。
断口分析
对故障齿圈进行断口分析，并查找失效原因，结果如图4所示。由图4(a)可知：断口于齿根处断裂，由一侧向另一侧呈剪切断裂，断口左右两侧存在显著的剪切滑移痕迹，断口中心呈反光小刻面特征。该宏观形貌属于典型的两边韧性断裂、中间脆性断裂。由图4(b)和图4(c)可知：起断区呈现韧窝形貌，且未发现夹杂等缺陷;中间区域为韧窝形貌，韧窝为拉长韧窝，与断裂方向平行;止断区形貌与中间区域形貌一致，整体形貌表现为材料拉伸滑移，且滑移方向与应力方向一致。
有限元分析
起动机齿轮材料为20CrMnTi，飞轮齿圈材料为 45号钢，材料参数见表3。对飞轮齿圈进行有限元分析，模型截取飞轮齿圈和发动机齿轮数模，导入Ansys Workbench进行网格划分，对接触齿轮啮合部分进行局部网格细化(网格尺寸为0. 2 mm)，划分好的有限元模型如图5所示。
在 Ansys Workbench 中根据表 3 赋予相应材料后，将齿轮啮合面设置摩擦接触，摩擦因数为0. 15;约束飞轮齿圈内圆所有自由度;放开发动机齿轮轴绕轴线的旋转自由度，同时约束其他方向自由度;在发动机驱动齿轮(小齿轮)上加载12 N·m扭矩，查看飞轮齿圈应力变化情况，结果如图6所示。
由图6可知：静态条件下，飞轮齿圈齿根处最大综合米塞斯应力为165. 77 MPa;而在动载条件下，齿圈根部过渡圆角处的最大弯曲应力为681 MPa。飞轮齿圈材料为45号钢，根据GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》可得：淬火后的 45 号钢抗拉强度(1 710 MPa)>齿根圆角弯曲应力(681 MPa)>非淬火 45 号钢抗拉强度(600 MPa)。从上述分析可知，如果飞轮齿圈存在未淬透的齿根，如遇较大动载时，便会存在断裂风险。
三、改进措施
结合理化性能检测、断口分析和有限元分析结果，失效齿圈沿齿根整齿折断，与齿根无硬化层而导致的弯曲疲劳强度不足有直接关系。为此提出改进措施：① 将齿圈淬火深度加深至齿根圆以下1～ 2 mm;② 齿根过渡圆角半径从原来的1. 0～1. 5 mm 加严至1. 3～1. 5 mm。随后将上述2项改进建议通过图纸予以固化，并下发供应商严格执行。图 7(a)为改进后的飞轮齿圈，经检测其齿根淬硬层厚度为1. 7 mm，齿面淬硬层深度为 7. 8 mm;图 7(b)、(c)为抽检改进后飞轮齿圈的金相组织检测云图，其中淬硬层为马氏体组织，过渡区为回火马氏体+屈氏体+铁素体。为进一步验证改进效果，对齿圈开展齿向疲劳试验和齿冲击试验。试验结果表明，改进后的飞轮齿圈未出现裂纹和断裂，各项指标均合格。
通过市场反馈信息可知，改进后的飞轮齿圈在实际使用中未再发生断齿情况。
四、结语
在飞轮齿圈的设计过程中，除满足相应的啮合要求及材料性能要求外，一些影响齿圈性能的关键参数和尺寸需固化到图纸上，供应商在齿圈制作过程中需严格按照图纸执行生产。同时，在设计过程中还需考虑飞轮齿圈实际受力情况，及时对飞轮齿圈进行全面分析及验证。
本文针对 2. 8 L发动机飞轮齿圈频繁出现断齿故障展开研究。通过对故障现象的观察，发现断齿发动机行驶里程短，属于早期失效，且飞轮齿圈特定齿位呈现断裂与磨损特征。运用FTA法系统梳理导致断齿的因素，经一系列排查后，从齿圈理化性能、断口、有限元分析等方面进行深入探究，结果如下：理化性能检测表明，材料成分符合标准，但齿根硬化深度不达标;断口分析显示为两边韧性断裂、中间脆性断裂特征;有限元分析得出齿根处应力情况，揭示未淬透齿根遇较大动载存在断裂风险。为此，采取将齿圈淬火深度加深至齿根圆以下 及加严齿根过渡圆角半径的改进措施。改进后的齿圈经检测与试验，各项指标合格，再未出现断齿情况。
作者简介：辛雪军(1984—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为整车与发动机结构强度及NVH分析。
参考文献略.