雙速傳動(dòng)裝置滾棒離合器卡簧斷裂故障分析

張海華，趙鐵軍

(1.海軍駐沈陽(yáng)導(dǎo)彈專業(yè)軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)航發(fā)黎明，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

1 故障現(xiàn)象

燃機(jī)在地面起動(dòng)成功后，直流電機(jī)信號(hào)燈不滅，起動(dòng)發(fā)電機(jī)無(wú)法從“起動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)到“發(fā)電機(jī)”工作狀態(tài)，導(dǎo)致燃機(jī)停止使用。更換雙速傳動(dòng)裝置后故障排除，因此確定雙速傳動(dòng)裝置內(nèi)離合器故障是燃機(jī)停止使用的原因。

2 故障檢查

分解檢查故障雙速傳動(dòng)裝置發(fā)現(xiàn)，滾棒離合器[1]內(nèi)卡簧斷裂，其余部件未見(jiàn)異常。

2.1 斷口檢查

2.1.1 宏觀檢查

觀察卡簧斷口的宏觀形態(tài)如下：故障卡簧類似Ω型，一側(cè)端頭向上彎曲，另一側(cè)在平面方向向右側(cè)彎曲，斷裂部位在右側(cè)彎曲處(見(jiàn)圖1)。圖1中箭頭所指位置即為卡簧的斷裂部位，斷裂起始部位的放大形貌如圖2所示。

圖1卡簧外觀圖2斷裂位置放大形貌

經(jīng)實(shí)體顯微鏡觀察可知，卡簧斷口呈灰黑色，在卡簧靠近R一側(cè)斷口較平坦，平坦區(qū)面積約占斷口面積的1/2；靠近卡簧內(nèi)圓的斷口較粗糙，而且平坦區(qū)和粗糙區(qū)有較大的起伏臺(tái)階。

平坦區(qū)斷口可見(jiàn)從卡簧R表面起始的放射棱線，平坦區(qū)中間部位可見(jiàn)疲勞弧線，粗糙區(qū)為瞬斷形貌；因此可知，卡簧是從彎曲部位R處產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展到卡簧1/2半徑位置，由于應(yīng)力較大且受力方向改變，從而形成臺(tái)階并瞬時(shí)斷裂。

2.1.2 微觀檢查

經(jīng)掃描電鏡觀察，斷口全貌如圖3所示，圖3中箭頭所指處為疲勞源區(qū)。疲勞源區(qū)的放大圖如圖4所示，由圖4可以看出，疲勞源區(qū)放射棱線清晰，疲勞起始于卡簧表面，在鄰近源區(qū)的部位即看到疲勞弧線。進(jìn)一步放大觀察可知，擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶細(xì)密，有多條二次裂紋。疲勞源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)均未見(jiàn)冶金缺陷。

圖3 斷口形貌

圖4 斷口源區(qū)放大及疲勞弧線形貌

2.1.3 源區(qū)附近表面觀察

源區(qū)附近表面觀察可見(jiàn)，卡簧彎曲部位有長(zhǎng)約3.5 mm、寬約0.6 mm的縱向摩擦痕跡，在靠近R處該痕跡有金屬堆積現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)，該痕跡是卡簧與離合器護(hù)圈凹槽接觸時(shí)產(chǎn)生的。源區(qū)側(cè)面放大觀察可見(jiàn)，沿卡簧橫向分布著擦痕(見(jiàn)圖6)。另外，故障件離合器護(hù)圈凹槽的側(cè)棱邊打磨很粗糙，轉(zhuǎn)接處存在小的棱邊，不符合此處R2轉(zhuǎn)接圓滑的要求。

圖5 卡簧彎曲部位的摩擦痕跡

圖6 源區(qū)側(cè)面的擦痕

2.1.4 斷口觀察結(jié)論

斷口觀察可知，卡簧斷裂為疲勞斷裂，裂紋起始于轉(zhuǎn)接R處，疲勞源區(qū)未見(jiàn)冶金缺陷[2]，卡簧裂紋的產(chǎn)生可能與離合器護(hù)圈凹槽轉(zhuǎn)接過(guò)渡不圓滑有關(guān)。

2.2 故障件的解剖檢查

故障件解剖后，檢查了各零件的相關(guān)尺寸，除護(hù)圈槽不合格外(R2 mm實(shí)際僅約為R0.5 mm)，其余零件(主動(dòng)齒輪、離合器、凸輪和滾子)均合格。

在故障件模擬恢復(fù)原狀態(tài)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，組合鉆孔時(shí)，故障件的保持架與夾具的劃線沒(méi)有對(duì)正，測(cè)量前蓋板上孔角度為10°，按圖樣要求偏斜約2°，換算成行程距離，增加了約1 mm。

測(cè)量卡簧的展開(kāi)長(zhǎng)度為124.835 mm，是設(shè)計(jì)圖樣要求的展開(kāi)長(zhǎng)度124.484～130.715 mm的下限，卡簧收緊時(shí)纏繞凸輪φ40 mm軸面，此時(shí)彈簧鉤被拖拽。

3 綜合分析

3.1 機(jī)理分析

3.1.1 雙速傳動(dòng)裝置工作原理

雙速傳動(dòng)裝置[3]由鎂合金制成的雙速傳動(dòng)機(jī)匣殼體和蓋子組成，其中安裝有棘輪離合器、滾棒離合器和摩擦離合器。

當(dāng)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)帶動(dòng)燃機(jī)和附件工作[4]。這期間，棘輪離合器中被彈簧頂起來(lái)的制動(dòng)爪處在棘輪式齒輪的槽內(nèi)，使棘輪離合器[5]處于嚙合狀態(tài)。扭矩的傳遞路線是從起動(dòng)發(fā)電機(jī)經(jīng)離合器撥輪和摩擦離合器至主動(dòng)齒輪[6]，主動(dòng)齒輪傳給棘輪式齒輪，再經(jīng)棘輪離合器傳給撥輪，最后經(jīng)齒輪的內(nèi)花鍵傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)，滾棒離合器不參與工作。

燃機(jī)起動(dòng)之后，當(dāng)燃機(jī)N2轉(zhuǎn)速達(dá)到32%時(shí)，燃機(jī)工作狀態(tài)是高壓壓氣機(jī)帶動(dòng)滾棒離合器和摩擦離合器工作，棘輪離合器不參與工作[7]，起動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)。從動(dòng)齒輪用花鍵連接著滾棒離合器的凸輪成為主動(dòng)，其外圈成為被動(dòng)，使凸輪轉(zhuǎn)速高于外圈轉(zhuǎn)速，使?jié)L子楔緊，從而將燃機(jī)的扭矩經(jīng)主動(dòng)齒輪和摩擦離合器直接傳給起動(dòng)發(fā)電機(jī)。一旦滾棒離合器的卡簧斷裂，傳遞線路中斷，摩擦離合器和電機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，符合發(fā)現(xiàn)的故障情況。

3.1.2 滾棒離合器工作原理

滾棒離合器由星形輪、護(hù)圈、外環(huán)、蓋板、滾棒和卡簧等組成[8]，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖7中，8個(gè)滾棒裝到護(hù)圈周圍的孔內(nèi)，用以保護(hù)滾棒的相對(duì)位置不變。套在星形輪外部的護(hù)圈和星形輪之間還裝有1個(gè)卡簧，卡簧的一端插在星形輪的小孔內(nèi)，另一端卡入護(hù)圈的槽內(nèi)，卡簧的彈力總是力圖消除外環(huán)、滾棒和星形輪三者之間的間隙，使離合器處于接合狀態(tài)。

圖7 滾棒離合器結(jié)構(gòu)圖

在護(hù)圈上還固定有前蓋板，前蓋板的2個(gè)凸邊在星形輪的凹槽中，其作用如下：1)在外環(huán)轉(zhuǎn)速大于星形輪轉(zhuǎn)速情況下，防止?jié)L棒越過(guò)空腔中間而被星形輪的另一邊卡??；2)限定卡簧在彈性范圍內(nèi)工作，防止偏斜造成的彈性改變。

3.2 制造質(zhì)量分析

解剖分析表明，前蓋板的2個(gè)凸邊在星形輪的凹槽中有偏斜(偏斜約2°)，相當(dāng)于卡簧的伸長(zhǎng)量增加了1 mm，這個(gè)伸長(zhǎng)量使應(yīng)力增加，加速了卡簧的疲勞。這個(gè)偏斜的產(chǎn)生是由于裝配過(guò)程中未能對(duì)正凸邊凹槽的中線造成的。工藝要求對(duì)正凹槽的中線再鉆前蓋板的鉚釘孔，一旦鉚釘孔鉆完就無(wú)法進(jìn)行修正。從故障件的偏斜看，主要是在這道工序卡簧加大行程，導(dǎo)致應(yīng)力增加而產(chǎn)生疲勞。

護(hù)圈與卡簧轉(zhuǎn)角處的接觸部位轉(zhuǎn)接R不圓滑，該處工藝要求為R2 mm，實(shí)際測(cè)量約為R0.5 mm，而實(shí)際上僅用銼刀修過(guò)且粗糙，已經(jīng)加大行程、應(yīng)力增加的卡簧與粗糙表面摩擦，使卡簧的摩擦部位產(chǎn)生堆積加劇了疲勞的產(chǎn)生。

還有一個(gè)不利因素是卡簧恰好是展開(kāi)長(zhǎng)度的下限，這些綜合因素共同作用導(dǎo)致了卡簧逐漸形成疲勞而斷裂。

3.3 彈簧表面的脫碳檢查

為了查驗(yàn)斷裂故障是否與彈簧在熱處理時(shí)脫碳有關(guān)，做了故障件的脫碳檢查。結(jié)果表明，在彈簧的橫截面磨金相，未見(jiàn)脫碳層，因而排除材料和熱處理缺陷[9]。

3.4 模擬試驗(yàn)

該燃機(jī)已生產(chǎn)多年，滾棒離合器首次出現(xiàn)該故障，分析是由多個(gè)因素影響造成，屬于個(gè)別問(wèn)題。為模擬故障再現(xiàn)，人為制作一個(gè)類似故障件的滾棒離合器，進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)的疲勞試驗(yàn)后，模擬試驗(yàn)的斷口與故障件類似，實(shí)現(xiàn)了故障再現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析可知，該故障是由于前蓋板、護(hù)圈及卡簧的加工質(zhì)量問(wèn)題造成的，與使用無(wú)關(guān)，也不影響其他燃機(jī)的使用。

這是一個(gè)由綜合因素引起的概率極小的故障。燃機(jī)起動(dòng)周期結(jié)束后，滾棒離合器已投入工作，能夠帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，不影響燃機(jī)工作。如在地面試車發(fā)生類似故障，可在現(xiàn)場(chǎng)直接排除。為避免故障的再發(fā)生，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)采取如下控制措施：1)在組合鉆前蓋板孔時(shí)，將夾具上的刻線位置由目視對(duì)正改為定位塊固定槽定位，確保設(shè)計(jì)要求角度；2)單件離合器護(hù)圈[10]槽口R2 mm的加工方式由銼修改為銑床加工，將相鄰表面形成的棱邊打磨圓滑，使整個(gè)圓弧與相鄰表面形成圓滑轉(zhuǎn)接，防止出現(xiàn)棱邊凸起。