混動變速箱中離合器壓盤斷裂的失效分析

李海濤

摘 要：本文通過對離合器壓盤的斷口觀察、理化檢測以及FEA應(yīng)力應(yīng)變分析，得出：由于壓盤邊緣為E形石墨組織，使壓盤的機械性能下降;高溫和高載工況下，在壓盤背面增強凸臺倒角處即最大應(yīng)力處，由于過載而萌生裂紋，裂紋擴展最終導(dǎo)致斷裂。

關(guān)鍵詞：離合器;壓盤;斷裂;E形石墨

壓盤斷裂是離合器開發(fā)階段常見的失效形式，多發(fā)生在受力復(fù)雜的耳部。在某款混動變速箱中，開發(fā)階段出現(xiàn)壓盤斷裂，本文對其進行了調(diào)查和分析。

1 新能源變速箱對離合器的功能要求

由于新能源變速箱檔位少，因此電機常工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，所以要求離合器能夠在高轉(zhuǎn)速下，具備高傳扭能力。為實現(xiàn)這一功能要求，一般從提高膜片彈簧工作壓力和增大從動盤徑入手，但這樣將增大離合器滑摩所產(chǎn)生的熱量。另外，電機一般被設(shè)計安裝在密閉的殼體中，電機工作中自身也需要散熱，因此相比于傳統(tǒng)發(fā)動機離合器的應(yīng)用條件，此設(shè)計離合器的散熱環(huán)境較差。

2 壓盤斷裂情況

在模擬整車工況的開發(fā)試驗進行至90%時，發(fā)現(xiàn)動力輸出異常，并伴有離合器從動盤燒毀的焦糊味。經(jīng)停機檢查，診斷為離合器功能異常，拆卸后發(fā)現(xiàn)離合器壓盤多處斷裂，從動盤被燒毀，殼體內(nèi)存在大量離合器粉塵。

3 壓盤斷裂的調(diào)查與分析

3.1 壓盤失效件外觀宏觀觀察

圖1所示，在斷裂處，氧化燒損較為嚴(yán)重。另外，在壓盤的工作面上，可以發(fā)現(xiàn)靠近內(nèi)圈側(cè)磨損嚴(yán)重，磨損表面存在很深的劃痕;相反在靠近外圓側(cè)，工作表面尚且保留有切削加工痕跡。但從燒毀的從動盤來分析，這些磨損劃痕應(yīng)為從動盤燒損后，從動盤上的鉚釘與壓盤的摩擦磨損痕跡。

在放大鏡下，圖1所示，可以看出：裂紋貫穿壓盤內(nèi)徑面;從背面看，裂紋出現(xiàn)在壓盤與增強凸臺圓角附近，并沿著凸臺走向向外徑面擴展。從內(nèi)徑面（圖中側(cè)面）上觀察，可看出裂紋發(fā)源于背面增強凸臺與壓板平面的圓角處，并向工作表面擴展。

3.2 壓盤應(yīng)力-應(yīng)變FEA分析

圖2為工作狀態(tài)下，壓盤的FEA簡化應(yīng)力分析結(jié)果。圖中顯示：由于電機動力通過花鍵從轉(zhuǎn)子傳遞到壓盤，因此應(yīng)力最大位置發(fā)生在壓盤的花鍵槽中，最大值為250Mpa;另一應(yīng)力最大點發(fā)生在內(nèi)徑面附近的工作表面上，高達220Mpa。圖3為工作狀態(tài)下壓盤的應(yīng)變量，右側(cè)為裝配狀態(tài)下的應(yīng)變量分布圖。從分析結(jié)果可知，離合器結(jié)合時，整個系統(tǒng)的變形量為0.933mm。從變形趨勢看，壓盤背面靠內(nèi)徑側(cè)向上凸起，受力狀態(tài)應(yīng)為拉應(yīng)力。從趨勢上看，由于內(nèi)徑面外側(cè)邊沿的變形量大于內(nèi)側(cè)邊沿，因此拉應(yīng)力應(yīng)大于內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力220Mpa。再考慮到凸臺與壓板平面倒角位置處的應(yīng)力集中，因此倒角處所承受拉應(yīng)力大于外側(cè)邊沿。而HT300的安全應(yīng)力為300Mpa，故從FEA應(yīng)力-應(yīng)變分析中亦可證實，壓板背面增強凸臺圓角處為危險位置，裂紋源應(yīng)起源于此處。

3.3 失效件斷口形貌觀察

宏觀斷口形貌如圖4所示，斷口表面可見有高溫導(dǎo)致的氧化色，根據(jù)氧化色的深淺可將斷口分為裂紋源、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。斷裂的方式應(yīng)為漸進式，路徑如圖中黃色箭頭所示。裂紋首先在壓盤背面增強凸臺圓角處生成，由于環(huán)境溫度較高，裂紋形成處的新鮮金屬表面首先被氧化成黑色;裂紋隨著離合器開閉或振動引起的載荷變化而擴展，而承載的表面逐漸減小，應(yīng)力逐漸增大，最終應(yīng)力超過材料的承載極限，導(dǎo)致瞬間斷裂形成圖中所示瞬間斷裂區(qū)。但在放大鏡下仔細觀察裂紋起源位置，未發(fā)現(xiàn)到任何導(dǎo)致壓盤開裂的如夾雜，氣孔等質(zhì)量問題。

3.4 材質(zhì)檢驗

分別對表面和心部做金相分析和硬度檢測，檢驗結(jié)果如表1所示。圖5為壓盤心部組織照片，顯示為A形石墨，評級為5級;基體為鐵素體和珠光體組織，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時對試樣硬度的測量結(jié)果顯示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此可以判斷壓盤工作環(huán)境的溫度低于臨界轉(zhuǎn)變溫度（Ac1下限）。在此溫度（Ac1下限）范圍內(nèi)加熱，鑄鐵中的共析滲碳體開始球化和石墨化，這種轉(zhuǎn)變隨溫度的升高而加劇。從圖中可以看出，組織中部分區(qū)域有球化趨勢。圖6為壓盤邊緣的組織照片，照片顯示小片狀石墨呈方向性的分布在基體枝晶間隙中，為典型的E形石墨形態(tài)，由于組織中石墨的偏析，使E形石墨鑄鐵的強度韌性相比于A形石墨大為降低。

3.5 壓盤工作表面組織觀察

圖7是對斷口組織的金相分析結(jié)果，從照片上看，白色區(qū)域仍為典型灰鐵組織：鐵素體和珠光體集體+A形石墨，表明高溫的工作環(huán)境并沒有改變工作表面的組織。黑色區(qū)域為離合器壓盤的熱點區(qū)域，照片中分界線較為平直，分界線處的灰鐵組織和心部的差別較小，因此可以判斷黑色區(qū)域的溫度并沒有超過臨界點，未造成組織的變化。黑色應(yīng)為金屬表面氧化變色。

3.6 失效原因分析及解決途徑

根據(jù)以上調(diào)查結(jié)果可以推斷：離合器的高載荷和高轉(zhuǎn)速以及電機的散熱，使離合器的工作環(huán)境溫度較高;壓盤表面的E形石墨組織使材料的力學(xué)性能下降，同時高溫也使材料的力學(xué)性能下降，再加上增強凸臺處由結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的應(yīng)力集中，導(dǎo)致圓角處的拉應(yīng)力超過材料承受極限萌生裂紋，裂紋漸進式擴展導(dǎo)致斷裂。裂紋產(chǎn)生后，壓盤的剛度發(fā)生變化，在裂紋處由于表面粗糙度的變化和接觸壓力的變化，導(dǎo)致裂紋處形成熱點，使從動盤磨損加劇，并最終導(dǎo)致燒毀。

壓盤表面E形石墨是在鑄造過程中，工藝控制不當(dāng)所造成，應(yīng)從澆注溫度、孕育處理澆冒口工藝等方面著手，減少或杜絕E形石墨組織的含量;同時，應(yīng)加強壓盤的剛性或修改壓盤增強凸臺處的倒角減小由變形帶來的應(yīng)力。

4 結(jié)論

1.壓盤斷裂是由背面增強凸臺倒角處，過載萌生裂紋，裂紋擴展最終導(dǎo)致斷裂;

2.壓盤材料組織未發(fā)生變化，離合器工作溫度未超過壓盤材料臨界溫度;

3.壓盤邊緣為E形石墨組織，造成了邊緣處機械性能的下降，在高溫和高載工況下，? 造成過載，萌生裂紋。

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