車用風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器失效分析

夏煥文，張世同，劉 焱，徐詩輝，匡晉安

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步與車輛使用的需要，一些車輛要求能在各種環(huán)境下可靠工作，因此也就對車輛的相關(guān)部件提出了更高的要求，風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器[1-3]作為車輛散熱系統(tǒng)的動力部件，與其它部件一起承擔(dān)著整車散熱的任務(wù)，其失效將直接造成相關(guān)零部件乃至整車散熱功能的失效，危及車輛發(fā)動機(jī)的正常工作，故其零部件性能及可靠性尤為重要.

1 風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器結(jié)構(gòu)

圖1 風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器結(jié)構(gòu)圖

某車風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其主要由負(fù)載風(fēng)扇、傳遞動力的泵輪、渦輪、外殼、泵輪軸和鎖緊用的圓螺母、碗型鎖墊及支撐箱體等零部件組成.其中風(fēng)扇、箱體、泵輪、渦輪、外殼材料為ZL104，采用砂型重力鑄造，變質(zhì)T6熱處理.碗形墊片由20鋼沖壓而成，表面經(jīng)氧化處理.

偶合器泵輪軸與傳動箱錐齒輪通過花鍵連接，在泵輪軸頭螺紋處裝入碗型鎖墊并擰緊圓螺母，再通過碗型鎖墊的2個內(nèi)爪及外緣將圓螺母鎖緊，見圖2、圖3.

圖2 泵輪軸鎖緊示意圖

圖3 碗型鎖墊

2 風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器故障描述

該車在野外非正常路面行駛時，風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器失效，導(dǎo)致該車散熱功能失效，致使車輛停駛.

拆開風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器發(fā)現(xiàn):1)風(fēng)扇的9個葉片均從根部斷裂，將斷裂的風(fēng)扇葉片依次順序編號為1#～9#，其中3#葉片斷面斷口有明顯區(qū)域疲勞痕跡，位于葉片根部中間氣流壓力側(cè)邊緣上.2)泵輪與渦輪有明顯撞擊、磨損痕跡，其端面上有明顯磨痕，葉片全部折斷成碎片，葉片根部有明顯磨痕并損壞.3)箱體有明顯的3處裂痕并破裂.4)偶合器泵輪軸鎖緊裝置用的圓螺母和碗型鎖墊脫落，并未見碗型鎖墊的2個內(nèi)爪.

3 風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器失效原因分析

風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器中的風(fēng)扇及偶合器為高速旋轉(zhuǎn)件，最高工作轉(zhuǎn)速為5 200 r/min，而偶合器輸入端額定轉(zhuǎn)速為5 496 r/min，整個風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器垂直 (旋轉(zhuǎn)軸線)安裝在車輛尾部.車輛在行駛過程中，該位置振動量最大，對風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器的沖擊最大.

3.1 碗型鎖墊失效分析

觀察碗型鎖墊內(nèi)爪斷口的微觀圖像 (圖4)，判斷該內(nèi)爪屬疲勞失效.碗型鎖墊功能是防止圓螺母松脫，而圓螺母功能則是固定泵輪軸且保持偶合器動力輸入端穩(wěn)定、正常運(yùn)轉(zhuǎn).在車輛行駛過程中，一方面車輛加減速導(dǎo)致偶合器動力輸入端產(chǎn)生周期性脈動力，另一方面因風(fēng)扇調(diào)速也導(dǎo)致偶合器動力輸入端產(chǎn)生周期性脈動力，二者的合力通過泵輪軸傳遞給圓螺母及碗型鎖墊，加之傳遞扭矩的花鍵存在齒側(cè)間隙，使圓螺母及碗型鎖墊受到周期性脈動沖擊力，該力亦直接作用在碗型鎖墊的內(nèi)爪上，在時間的積累下，致使內(nèi)爪疲勞損壞，一旦該內(nèi)爪失效，就失去了防止圓螺母松脫的作用，又因泵輪軸螺紋旋向與風(fēng)扇旋向一致及偶合器動力輸入特性的原因，進(jìn)一步加速圓螺母和碗型鎖墊的同時脫落.

圖4 碗形鎖墊內(nèi)爪斷口上的疲勞條帶

3.2 泵輪軸組件失效分析

由于碗型鎖墊及圓螺母脫落，所以泵輪軸組件 (泵輪軸、泵輪、外殼及其固定螺栓、雙聯(lián)墊片)失去了固定，處于不穩(wěn)定非正常工作狀態(tài).那么，在車輛行駛中，高速旋轉(zhuǎn)的泵輪軸組件在軸向進(jìn)行不規(guī)則的竄動，并與渦輪相撞擊，導(dǎo)致泵輪、渦輪內(nèi)葉片斷裂，隨之泵輪、渦輪、外殼失衡，泵輪軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)失效.

3.3 風(fēng)扇失效分析

在各葉片疲勞斷口中，3#葉片疲勞擴(kuò)展區(qū)面積最大，裂紋沿葉片厚度方向擴(kuò)展距離最長.研究表明疲勞條帶間距隨疲勞應(yīng)力的增大而增大[4-5]，3#葉片疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)后部突然出現(xiàn)少量間距明顯增大的疲勞條帶[6](見圖5和圖6)，表明3#葉片在疲勞裂紋擴(kuò)展后期受到了大應(yīng)力作用.由于泵輪軸組件失效，其失穩(wěn)產(chǎn)生的非正常周期性的附加力作用在風(fēng)扇上，故使風(fēng)扇最薄弱的3#葉片首先發(fā)生斷裂，從而使風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)失效.

圖5 3#斷口疲勞區(qū)典型疲勞條帶

圖6 3#斷口疲勞區(qū)后部粗大疲勞條帶

3.4 箱體失效分析

箱體大面積斷面斷口特征見圖7和圖8.由于高速旋轉(zhuǎn)件 (風(fēng)扇、泵輪軸組件及渦輪)的定位失效而產(chǎn)生的撞擊能量及高速旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇在氣動力、不平衡力及車輛運(yùn)動過程中顛簸產(chǎn)生的力等力的共同作用下，致使箱體撕裂，從而使箱體失效.

圖7 箱體

圖8 殘留箱體斷口

3.5 風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器失效分析

從3.1節(jié)～3.4節(jié)得出:首先碗型鎖墊內(nèi)爪疲勞失效，加上泵輪軸螺紋旋向與風(fēng)扇旋向一致的原因，導(dǎo)致鎖緊圓螺母及碗型鎖墊一同脫落，致使泵輪軸組件失去軸向固定而產(chǎn)生軸向竄動.這樣在車輛行駛狀態(tài)下，導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)的泵輪、渦輪相互撞擊，產(chǎn)生較大周期性沖擊脈動力，使具有一定疲勞缺陷的風(fēng)扇葉片加速疲勞，該附加的非正常力導(dǎo)致風(fēng)扇葉片首先斷裂，風(fēng)扇失效;高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇產(chǎn)生的巨大不平衡力會同泵輪軸組件撞擊箱體的沖擊力共同作用于箱體，使箱體開裂，從而使渦輪軸組件 (渦輪輪軸、渦輪及其固定螺栓、雙聯(lián)墊片)連同風(fēng)扇一起拔出，致使高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇失穩(wěn)，而最終使風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器失效.

4 解決措施

4.1 偶合器采取的措施

由于鎖緊圓螺母及碗型鎖墊松脫是風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器失效的根源，故首先增強(qiáng)碗型鎖墊內(nèi)爪剛強(qiáng)度;其次改變圓螺母及其對偶件的螺紋旋向，在風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器工作中使圓螺母具有自緊功能;然后在圓螺母及其對偶件的螺紋處采取沖防松眼的方式 (見圖9)，局部破壞螺紋，防止圓螺母及碗型鎖墊松脫.

4.2 風(fēng)扇采取的措施

根據(jù)風(fēng)扇的特性，增大葉片根部的鑄造圓角及葉片根部附近的厚度 (見圖10)，在相同條件下，可減小葉片根部的應(yīng)力水平，從而提高風(fēng)扇葉輪的疲勞壽命[7];對葉片根部附近進(jìn)行打磨及拋光，除去有先天的表面缺陷，提高風(fēng)扇葉輪的疲勞壽命.

圖9 圓螺母防松

圖10 風(fēng)扇葉輪改進(jìn)措施

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在采取上述措施，并經(jīng)10 000 km的跑車試驗(yàn)后，風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器在使用壽命期內(nèi)工作正?？煽?，滿足使用要求.

5 結(jié)束語

通過對風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器失效后殘骸的觀察、測量、試驗(yàn)及分析，弄清了風(fēng)扇調(diào)速傳動偶合器的失效機(jī)理;針對其材料特性和工作特點(diǎn)，給出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并通過了10 000 km的跑車試驗(yàn)，證實(shí)改進(jìn)措施有效.

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