李永纯，杨园园，罗庆东

某型号发动机皮带轮失效分析

李永纯，杨园园，罗庆东

（宁波吉利汽车研究开发有限公司，浙江 宁波 315336）

为了保证零部件可以顺利整车耐久试验验证，快速分析失效原因及提出解决方案；文章基于对某款型号发动机减震皮带轮及单向离合器工作原理、弹簧片断口及测试结果进行分析，确定产品失效主要原因并提出相应的解决措施。针对改进后的零部件进行仿真分析后，确定此方案的有效性，最后通过整车耐久试验验证，确定了解决方案的可行性。

发动机；减震皮带轮；单向离合器；弹簧片；失效分析

交流发电机是汽车整车用电的主要来源，在发动机运转过程中，除向整车用电器供电外，同时还可以向蓄电池充电。

由于现代汽车对整车噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能及油耗均有较高要求，发动机前端轮系直接影响发动机附件系统的性能及可靠性，皮带张紧力影响到整车油耗，所以主流技术采用双向减震皮带轮，既可以提升NVH性能，又可以降低皮带张紧力，进而降低整车油耗。这种带有减震结构的皮带轮都集成发电机驱动带轮功能，安装在发电机前端。

本文讨论由于发电机双向减震皮带轮故障，导致发电机无法正常工作，着重分析皮带轮的失效模式、改进措施及验证效果。

1 双向减震皮带轮结构及工作原理

双向减震皮带轮主要结构如图1所示，滚针轴承的作用是承载发电机带轮的径向载荷，驱动带轮起到将发动机扭矩通过皮带、带轮传递给发电机的作用；单向离合器（One Way Clutch, OWC）总成是减震皮带轮组件中最核心的零部件，起到实现动力传递的作用，在超越时实现带轮与发电机轴的分离；弹簧的作用是将扭矩由带轮传递到OWC，通过OWC传递到发电机轴并起到吸收来自带轮振动的作用；中心轴的作用是将减震皮带轮通过螺栓固定在发电机轴上[1-3]。

1－中心轴；2－滚针轴承；3－带轮；4－弹簧；5－离合器座；6－单向离合器；7－止推衬套；8－滚珠轴承；9－密封盖；10－单向离合器滚针；11－垫片。

从图1的减震皮带轮结构图中可以看到，弹簧和单向离合器串联在中心轴与带轮之间，具有单向超越功能和隔离扭振这两种功能。

发动机产生的扭矩通过驱动皮带、发电机减震带轮、单向离合器、中心轴传递至发电机，可以使发电机正常运转。当整车换挡过程中，发动机转速降低，由于发电机转子转动惯量大，致使发电机驱动皮带由原正常工作时的紧边转变成松边，当速度较快或发电机转子惯量过大时，会导致驱动皮带与发电机带轮之间打滑，产生噪声，严重时会加剧皮带的磨损。

发动机轮系在使用减震皮带轮后，当发动机转速降低时，发动机转速通过驱动皮带传递到减震皮带轮，减震皮带轮的转速会小于中心轴转速，此时发电机转子通过中心轴带动单向离合器转动，致使单向离合器滚针脱离原位置实现超越，发电机带轮随着驱动皮带与发动机一同减速，此时发电机仍然保持较高转速进行旋转，从而实现了单向超越功能。

当发动机转速升高时，单向离合器中滚针与内外圈结合，带动中心轴及发电机运转，因为在带轮与单向离合器间存在有弹簧，所以发电机转子的转速不会与驱动皮带同步加速，从而就实现了隔离发动机通过皮带传递的扭振的功能[4-6]，如图2所示。

单向离合器工作原理：单向离合器在锁止状态时，滚针卡死在内圈与外圈之间，使单向离合器的外圈、滚针和内圈成为一体，相当不动。此时弹簧高度最大，压缩值最小，外圈通过滚针带动内圈转动，转速相同，如图3(a)所示。

单向离合器在脱开状态时，滚针可以在内圈与外圈间旋转，使内圈与外圈脱开，内圈与外圈间没有力矩传递，此时弹簧高度最小，压缩值最大，而且弹簧压缩值与滚针的离心力成正比，离心力越大，弹簧压缩值越大，而且时时变化，如图3(b)所示。

由于张紧力的降低，可以使轮系具有以下特点：

1）减少发动机附件皮带轮系的扭转振动；

2）增加轮系的使用寿命；

3）改善振动噪音；

4）改善油耗。

图3 单向离合器工作原理

2 失效分析

根据试验车辆反馈发电机无法发电，经拆解发现减震皮带轮中间轴磨损严重，出现烧蚀现象。单向离合器滚针表面有轻微变色，且与弹簧片接触处有磨损痕迹，部分滚针外表面已被磨平，弹簧片断裂、缺失，如图4—图6所示。

图4 中间轴烧蚀

图5 弹簧片断裂

图6 滚针磨损

通过拆解零件判定，由于单向离合器弹簧片断裂，导致滚针卡死在单向离合器内圈与外圈之间，无法起到超越作用，在外力的作用下，与中间轴产生相对位移，最终导致中间轴烧蚀及滚针磨损。

经过对弹簧片进行断口分析，分别在弹簧片折断处进行检测，发现断口1与断口2裂纹源区无明显加工缺陷，断口1和断口2裂纹源均处于弹簧片折弯外侧应力集中处，如图7(a)所示；图7(b)断口裂纹（扩展区）显示的断口微观形貌特征分析，可得出该断裂呈现疲劳断裂的特征。

图7 断口分析

经过上述分析和整车测试得出，此故障为耐久性问题，随着减震皮带轮运行时间及单向离合器超越次数的增加，会增大单向离合器弹簧片断裂风险。弹簧减震皮带轮设计耐久总超越次数为1 800万次，而在整车实际耐久验证中测得实际总超越次数约5 300万次，设计裕度不满足整车实际使用工况，故需对该产品进行加强设计。

3 改进措施及验证

通过以上分析，可以判定单向离合器弹簧失效原因为耐久次数不满足整车实际使用需求，需要对弹簧片进行加强。在单向离合器现有空间内，弹簧片宽度可以由目前的1.0 mm增大到1.14 mm，弹簧片的厚度可以由目前的0.15 mm增大到0.17 mm。为了保持弹簧片自由高度2.6 mm不变，所以折弯角度由30°减小到25.6°。经过仿真分析，改进后弹簧片应力及受力能力都优于改进前，如图8、图9和表1所示。

图8 改进前、后结构对比

表1 改进前后数据对比

高度/mm当前压强/MPa当前压力/N改进后压强/MPa改进后压力/N 1.77151.756652.27 1.5852.058002.77 1.31 0402.309433.49

改进后减震皮带轮在经过耐久后测试，传递力矩及超越功能正常。拆解减震皮带轮，其中单向离合器结构完好，功能正常；外圈无裂纹；保持架及弹簧片无裂纹，如图10所示。

滚针及弹簧片测试，滚针受工作磨损影响较小，直径及长度变化不大，满足设计要求，如表2所示，弹簧片没有出现裂纹、断裂等现象，高度及受力测试结果满足设计要求，如表3所示。

表2 滚针直径及长度检测结果

零件编号1# 2#3# 4# 5# 直径/mm2.215 2.2152.215 2.216 2.215 长度/mm10.63 10.6210.62 10.63 10.65 零件编号6# 7#8# 9# 10# 直径/mm2.215 2.2172.215 2.215 2.217 长度/mm10.62 10.610.61 10.63 10.61 零件编号11# 12#13# 14# 15# 直径/mm2.216 2.2172.21 2.216 2.215 长度/mm10.64 10.6210.64 10.63 10.66

表3 弹簧片高度及受力检测结果

零件编号1# 2#3# 4# 5# 直径/mm2.215 2.2152.215 2.216 2.215 长度/mm10.63 10.6210.62 10.63 10.65 弹簧力/N2.068 2.1472.215 2.177 2.031 零件编号6# 7#8# 9# 10# 直径/mm2.215 2.2172.215 2.215 2.217 长度/mm10.62 10.610.61 10.63 10.61 弹簧力/N2.15 2.2012.17 2.061 2.215 零件编号11# 12#13# 14# 15# 直径/mm2.216 2.2172.21 2.216 2.215 长度/mm10.64 10.6210.64 10.63 10.66 弹簧力/N2.043 2.0322.136 2.152 2.071

4 总结

对减震皮带轮及单向离合器工作原理进行分析，结合对故障件断口分析，得出故障原因，并结合零部件实际设计情况，对设计进行改进。通过仿真分析手段，对设计改进进行预测评估，再对整车耐久试验测试零件进行拆解分析，最终确认改进方案有效。最后经过耐久极限分析，改进后单向离合器可以达到9 800万次耐久总次数，完全可以满足整车耐久出现5 300万次超越次数，提升产品的耐久使用寿命。

[1] 曾祥坤,上官文斌,张少飞.具有单向离合解耦器的发动机前端附件驱动系统的旋转振动建模及参数优化设计[J].内燃机学报,2012,30(2):180-185.

[2] 孙百重,李文辉,刘爽,等.OAD对发动机皮带传动系统动态特性及整车油耗的影响[J].内燃机,2020(1): 12-16.

[3] 袁兆成.内燃机设计[M].北京:机械工业出版社,2018.

[4] 岳小平.柴油机前端附件驱动系统的优化设计[J].柴油机设计与制造,2012,18(3):21-24.

[5] 田小飞,鲁守卫,张静.某发动机轮系皮带抖动原因分析及解决方案[J].汽车技术,2015(5):4-8.

[6] 隋鹏超,程市,邢立,等.柴油发动机前端附件带传动系统应用和发展综述[J].小型内燃机与车辆技术, 2021,50(3):88-92.

Failure Analysis of a Type of Engine Pulley

LI Yongchun, YANG Yuanyuan, LUO Qingdong

( Ningbo Geely Automobile Research and Development Company Limited, Ningbo 315336, China )

In order to ensure that components can smooth the vehicle durability test, quick analysis of failure causes and propose solutions;In this paper, based on a model engine damping pulley and the working principle of the one-way clutch, spring clip and test result analysis, determine product main failure causes and put forward the corresponding solutions.For the improved parts after simulation analysis, to determine the effectiveness of this solution, finally through the vehicle durability test, determine the feasibility of the solution.

Engine; Damping pulley; One-way clutch; Spring;Failure analysis

U464.149

A

1671-7988(2023)12-72-05

李永纯（1980－），男，工程师，研究方向为汽车动力系统，E-mail:liyongchun1@geely.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.014