摘要:發動機起動齒圈非正常失效對工程機械的正常運行和生產的持續都會產生不良影響。從

生產制造裝配領域對直接導致非正常失效的幾種情況進行分析和探究，為今后工藝技術改進、

設備的正常運行提供參考。

關鍵詞:工程機械;發動機起動齒圈;失效

0引言

工程機械一直是重大生產建設領域不可或缺的重要機具，因其生產效率高、適應范圍廣、輸出功率和扭矩大等特點頗受用戶青睞。由于自身具有生產難度大、制造工藝水平要求高等特點，各國都把工程機械的制造裝配水平作為衡量一個國家工業科技實力的重要標志，由此可見，作為動力源的內燃發動機在整個系統中的重要性不言而喻。當中作為發動機起動核心零部件之一的起動齒圈，一旦發生非正常失效將直接影響設備的正常工作和使用。相比非正常失效，發動機起動齒圈的常規失效領域主要集中在使用環節，這種常規失效的出現屬于情理之中，因為機械零部件只要被使用就會產生磨損、銹蝕和沖擊等，這些失效形式的出現是發動機起動齒圈正常使用過程中零部件疲勞的一種必然結果［1］。與之相對的還有非正常失效，它出現的時機、形式具有很大的隨機和不確定性，但是它造成的危害則相當嚴重，不僅會影響設備正常工作，造成工程進度的延緩，甚至會危及現場工作人員的人身安全。所以，有效避免發動機非正常失效，不但可以延續零部件的正常使用周期，而且可以推遲零部件疲勞期的提前。

1工作原理與性能特征

1.1工作原理

發動機起動齒圈是安裝在發動機飛輪外部的一圈有輪齒的金屬零件，其作用主要是通過輪齒與起動電機嚙合，將起動電機的電能轉化為機械能繼而帶動發動機飛輪進行轉動，同時將起動勢能轉化為動能。因為工程機械對動力性和發動機輸出功率有比較高的要求，所以當前設備的動力源依然以內燃發動機為主，而且通常缸徑較大，主流發動機基本已經從120為主逐步轉換為以135為主，因此起動齒圈的齒數相對也較多。

1.2性能特征

由于工程機械的工作現場環境比較復雜，設備負載大，這就要求起動齒圈在工作時零部件具有良好的抗沖擊性能。同時，為保證設備能夠滿足長期高負荷運轉的需求，齒圈輪齒的芯部還要求具有良好的韌性，以便于能夠吸收輪齒間嚙合產生的沖擊能量，而不至于使輪齒崩斷。為此，在材料的選擇和熱處理工藝上就要兼顧加工和使用兩方面的需求。現在一般主機廠使用的起動齒圈材料也經過一番變革，過去因在技術上主要是借鑒日本同類產品的指標，基本都是選用20鋼，現在基本以45中碳鋼為主。因為45鋼的綜合性能指標和材料性能可以滿足和保證日常生產使用要求，同時其綜合技術指標比過去的20鋼也有重大提升。

2起動齒圈失效形式及原因

飛輪起動齒圈從外部形狀而言屬于環形結構，在正常使用過程中由于連續的摩擦、沖擊和頻繁的嚙合接觸等原因，致使輪齒表面出現點蝕、磨損、折斷等現象，導致輪齒間噪聲、間隙變大，甚至無法正常嚙合，機構間無法進行運動傳遞，進而導致整個飛輪起動總成失效。上述現象是設備長期連續工作導致的結果，屬于正常工作狀態下的正常失效。除此之外，在工程機械的工作現場偶爾還會遇到輪齒崩裂、折斷、打齒、裂紋等情況。此類情形并非屬于正常現象，而且出現的時機、位置往往具有突發和隨機性，所以把此類失效形式歸為非正常失效。因為非正常失效的形式多樣、成因復雜，所以在分析過程中一般都采用逆推法，即從生產制造和裝配源頭去理清成因，避免今后類似問題的再次出現。

2.1熱處理導致新齒斷裂

在起動齒圈生產制造過程中通常都安排有機加工和熱處理工序，為保證產品質量符合技術要求，生產過程中都會對工藝路線、方法和步驟等進行有針對性的改善，以期取得合格的產品。現在在熱處理環節廣泛采用感應(高頻)淬火，在實施過程中要求保持輪齒齒面淬透，同時齒根具有一定的硬化深度，齒根內部則要求具有一定的韌性。因為在工作過程中，輪齒表面具有一定的硬度就可以有效避免沖擊帶來的損害，還可以吸收輪齒沖擊產生的能量使輪齒不會折斷。如果輪齒齒根未達到有效硬化深度，就會在輪齒齒面形成殘余壓應力，而沒有得到有效硬化的齒根則表現為彎曲拉應力，彎曲拉應力會使齒根的彎曲疲勞強度明顯降低，嚴重者會致使齒根折斷等［2］。也就意味著在工作過程中出現的輪齒折斷實際與齒根沒有淬火硬化到位、齒面有殘余壓應力有很大關系。因為齒根部位的彎曲疲勞強度降低以后，齒面的殘存壓應力在工作過程中會對齒根形成一定的壓力，當瞬時產生的力足夠大時，就會使其折斷。實踐證明起動齒圈的熱處理硬化深度沒有達到規定要求，是起動齒圈發生非正常折斷的主要原因之一。

2.2材料裂紋與原理誤差導致失效

工程機械起動齒圈材料目前雖然以45鋼為主，但是也有一些產品因使用要求的原因，在材料的選擇上存在差異。例如:某公司在其150系列大功率高速柴油機上，起動齒圈選擇45Cr鋼，在高頻淬火過程中極易產生裂紋。其中既有熱處理工藝的原因，也有材料自身的原因(碳含量高)，這是最常見的非正常失效形式，還有輪齒齒根與節圓位置在熱處理過程中也容易產生開裂［3］。作者原工作單位在齒圈的生產過程中也多次遇到上述類似問題，原因在于原材料供應單位的鋼材含碳量過高，導致材料硬度過大，再經過淬火后輪齒表面硬度高于60HRC(設計要求在55～58HRC)。一旦投入工程機械使用遇到瞬時受力過載，就會導致在應力集中部分發生非正常失效。這種失效情形具有一定的隱蔽性，并非設計原理問題和常見現象，一旦發生排查起來有很大難度，但確實是導致失效的主要成因。除此之外，還有齒根部位的設計問題。齒根相對強度不足、齒根圓角曲率的大小也是導致失效的一個誘因［4］。

2.3加工過程導致失效

作者原工作單位在起動齒圈經過機加工工序后，后續會安排滾齒和倒角工序，毛坯件在滾齒和倒角后，在齒面和齒根處實際會留有加工積痕。這是刀具在工件表面滾過、與材料接觸而形成的一種推擠現象。如果不加以清除，在后期零部件裝配投入使用后，積痕處會形成應力集中區，應力集中點就位于積痕位置上，輪齒的失效率先從積痕位置展開，有些輪齒的崩斷就與此有關。為此，在機加工工序結束后，往往要安排一個光整工序，通過光整清除積痕，避免以后在設備投入使用后而發生非正常的失效。

2.4過盈裝配及質量管理問題

發動機起動齒圈與飛輪裝配過程中采用過盈配合，過盈量的大小直接關系到起動齒圈與飛輪接觸面上的應力大小，而且這種變化是成正比變化［5］。過盈配合過程中，對零部件產生的壓力相比較也是隨著過盈量的變化而變化。為防止非正常失效的出現，保證零部件裝配完畢后的正常使用，對過盈量的控制顯得尤為重要。其次是對整個生產制造過程中質量的監管問題。除去原理性問題外，很多非正常失效來源于質量管理問題，比如檢驗環節，在對零件進行磁粉探傷后，還要進行其他技術檢驗，除去材料含碳量的檢測，熱處理后零件硬度的檢驗、生產中形位尺寸的檢驗等也是關鍵。當前盡管汽車行業已經全部納入16949體系化管理，但是在具體操作過程中依然有個別問題亟待提高和解決。

3解決對策和方法

針對導致工程機械發動機起動齒圈非正常失效的原因，要徹底解決需要先解決好幾個方面的問題。首先，要嚴把選材關。對進入生產流程的原材料進行理化檢驗，確保元素指標符合技術要求。在毛坯鍛造過程中，防止因為鍛造工藝不合理而導致的金屬內部組織的應力集中、開裂等問題出現，要從源頭開始監管并加以杜絕。重點嚴控生產裝配環節，針對機加工過程中在工件表面產生的積痕，要安排專門工序進行清理，防止應力集中存在。在熱處理工序環節，對不同形狀尺寸的齒圈要嚴格工藝要求，防止出現過淬或者欠淬以及淬不透等現象。同時，做好全程的檢驗規程的制定和安排，要把抽檢和自檢相結合，防止由于疏漏導致不合格品的流出。最后，要加大對安裝和裝配工人的培訓，做好工裝夾具精度的控制，從裝配環節控制誤差范圍和檢測工作［6］，確保起動齒圈生產制造裝配環節質量，消除非正常失效的源頭。

4結語

在工程機械迅猛發展的今天，發動機起動齒圈質量的優劣決定了內燃機正常持續工作的周期，因為起動齒圈的問題很可能導致整臺設備提前出現非正常失效。這種現象造成的影響和損失是巨大的，研究非正常失效就是為正常工作提供技術保障和支持，未來盡可能減少或者不發生非正常失效的現象，使設備能長期發揮它的優勢，創造更多的價值。

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