離合器膜片彈簧斷裂失效分析及匹配設(shè)計(jì)

劉 培，蔣建勇，杭海軍，張永暉

（安徽華菱汽車有限公司，安徽 馬鞍山 243061）

離合器膜片彈簧是一個(gè)用薄彈簧鋼板制成的帶有一定錐度[1]，中心部分開有許多均布徑向槽的圓錐形彈簧片。膜片彈簧是碟形彈簧的一種，由碟簧部分和分離指部分組成。膜片彈簧是離合器的重要組成部分，它代替了一般的螺旋彈簧以及分離桿等機(jī)構(gòu)，膜片彈簧具有較好的非線性彈性特性。由于膜片彈簧是一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱零件，可以使離合器壓盤的壓力分布均勻，摩擦片接觸良好，磨損均勻；保證離合器總成的使用性能。離合器蓋與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪用螺栓緊固在一起，當(dāng)膜片彈簧被預(yù)加壓緊，離合器處于接合位置時(shí)，由于膜片彈簧大端對(duì)壓盤的壓緊力，使得壓盤與從動(dòng)盤摩擦片之間產(chǎn)生摩擦力。當(dāng)離合器蓋總成隨飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就通過(guò)摩擦片上的摩擦轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)從動(dòng)盤總成和變速器一起轉(zhuǎn)動(dòng)以傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，要分離離合器時(shí)，將離合器踏板踏下，通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)，使軸承總成前移推動(dòng)膜片彈簧分離指，使膜片彈簧呈反錐形變形，其大端離開壓盤，壓盤在傳動(dòng)片的彈力作用下離開摩擦片，使從動(dòng)盤總成處于分離位置，切斷了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的傳遞[2]。

膜片彈簧頻繁發(fā)生斷裂故障會(huì)直接導(dǎo)致離合器壓盤總成損壞，導(dǎo)致整個(gè)離合系統(tǒng)使用性能喪失，導(dǎo)致車輛停運(yùn)，由于離合器裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱連接處的內(nèi)部，維修也極為困難，耗費(fèi)工時(shí)較多，會(huì)因維修過(guò)程導(dǎo)致車輛停運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，給客戶帶來(lái)很大的損失。

為了找到離合器膜片彈簧發(fā)生斷裂故障的主要原因，特從多方面對(duì)膜片彈簧及整個(gè)離合系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

1 膜片彈簧失效樣件分析

1.1 失效樣件準(zhǔn)備

準(zhǔn)備好離合器膜片彈簧斷裂失效樣件，并對(duì)離合器膜片彈簧失效樣件進(jìn)行觀測(cè)，整體形貌如圖 1 所示，膜片彈簧共有3個(gè)斷口，斷裂成3個(gè)部分，將斷口分別命名為斷口1#、2#、3#。

圖1 離合器膜片彈簧整體形貌

確定離合器膜片彈簧的材質(zhì)及工藝屬性及生產(chǎn)過(guò)程控制方案，具體如下：材料牌號(hào)為50CrV4，熱處理方式為淬火+中溫回火，表面硬度為45～50 HRC。

1.2 對(duì)失效樣件宏觀分析

斷口1#、2#、3#宏觀形貌如圖 2 所示，三個(gè)斷口相似，均可見(jiàn)明顯的疲勞臺(tái)階（小臺(tái)階），疲勞擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)（最終斷裂區(qū)）。根據(jù)斷口瞬斷區(qū)面積大小、疲勞擴(kuò)展區(qū)的細(xì)膩程度分析可知斷口2#為首斷斷口，下文針對(duì)斷口 2#進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖2 斷口宏觀形貌

斷口2#宏觀形貌如圖3 所示，裂紋源位于圓弧上表面，其擴(kuò)展方向如圖 3箭頭所示。

圖3 斷口2#宏觀形貌

綜上，認(rèn)為分析斷口2#為首斷斷口。該離合器膜片彈簧失效模式為疲勞斷裂，裂紋源位于圓弧上表面。

1.3 對(duì)失效樣件SEM 形貌分析

膜片彈簧斷口掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）分析示意圖如圖4 所示，下文將對(duì)A1至 A3區(qū)域進(jìn)行SEM微觀形貌分析。

圖4 取樣示意圖

A1區(qū)域微觀形貌如圖 5所示，根據(jù)放射性“射線”的形貌可知裂紋源位于圓弧內(nèi)表面，如圖5箭頭所示，與宏觀分析一致。裂紋源位置被嚴(yán)重氧化，未見(jiàn)明顯缺陷。

圖5 A1區(qū)域微觀形貌

A2區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)，如圖 6 所示，該區(qū)域可見(jiàn)典型的疲勞輝紋形貌和少量二次裂紋形貌，進(jìn)一步表明膜片彈簧的失效模式為疲勞斷裂。

圖6 A2區(qū)域微觀形貌

A3區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)（最終斷裂區(qū)），如圖7所示，該區(qū)域主要為剪切韌窩形貌特征，表明膜片 彈簧失效模式為塑性疲勞斷裂。

圖7 A3區(qū)域微觀形貌

綜合 SEM 形貌分析，可知膜片彈簧的失效模式為塑性疲勞斷裂；裂紋源位于膜片彈簧圓弧內(nèi)表面，裂紋源位置未見(jiàn)明顯缺陷，與宏觀分析結(jié)論一致。

1.4 化學(xué)成分分析

在膜片彈簧上取樣進(jìn)行光譜化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可知膜片彈簧化學(xué)成分符合技術(shù)規(guī)范要求。

表1 膜片彈簧化學(xué)成分分析結(jié)果

1.5 硬度檢測(cè)分析

膜片彈簧上取樣進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表 2 所示，可知該膜片彈簧的硬度符合技術(shù)規(guī)范要求。

表2 膜片彈簧硬度測(cè)試結(jié)果

1.6 綜合分析

綜合上述分析可知膜片彈簧金相組織、表面硬度、非金屬夾雜物、化學(xué)成分等均符合技術(shù)規(guī)范，未見(jiàn)異常。膜片彈簧宏觀可見(jiàn)疲勞臺(tái)階，微觀可見(jiàn)典型的疲勞輝紋和二次裂紋，可知膜片彈簧的斷裂模式為典型的多源疲勞斷裂，瞬斷區(qū) SEM 形貌可見(jiàn)剪切韌窩形貌特征，故分析認(rèn)為膜片彈簧的失效模式為多源塑性疲勞斷裂。

根據(jù)放射性“射線”和疲勞輝紋的形貌可知裂紋源位于膜片彈簧圓弧內(nèi)表面，裂紋源區(qū)域未見(jiàn)明顯缺陷，疲勞裂紋的產(chǎn)生可能與離合器使用過(guò)程有關(guān)。

1.7 失效件分析意見(jiàn)

膜片彈簧金相組織、表面硬度、化學(xué)成分、非金屬夾雜物等指標(biāo)均未見(jiàn)異常。膜片彈簧的斷裂為多源塑性疲勞斷裂，裂紋起源于膜片彈簧圓弧內(nèi)表面，裂紋源處未見(jiàn)明顯缺陷，疲勞裂紋的產(chǎn)生可能與離合器使用過(guò)程有關(guān)。

2 對(duì)整車離合系統(tǒng)進(jìn)行理論分析校核

2.1 后備系數(shù)

蓋總成扭矩容量為

式中，TC為蓋總成扭矩容量，Nm；F為離合器最小壓緊力34000 N；f為摩擦系數(shù)，值為0.3；Z為摩擦片面數(shù)，為2；RC為摩擦中徑0.1724 mm[3]。

式中，β為蓋總成后備系數(shù)；Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩 1840 Nm。

根據(jù)式（1）和式（2），可以得出蓋總成后備系數(shù)為β=3517/1840=1.91＞1.5。

結(jié)論：后備系數(shù)滿足要求。

2.2 滑磨功和溫升

滑磨功計(jì)算式：

式中，L為滑磨功，J；m為汽車滿載質(zhì)量，值為49000 kg；r為車輪滾動(dòng)半徑0.531 m；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（按照1450 r/min）；ig為變速器傳動(dòng)比（一擋起步11.89）；io為主減速傳動(dòng)比（3.73）。

單位面積滑磨功計(jì)算式：

式中，R1為摩擦片外徑（215 mm）；R2為摩擦片內(nèi)徑（120 mm）；Z為摩擦片面數(shù)，值為2。

根據(jù)上述參數(shù)利用式（3）和式（4）可以算出單位面積滑磨功l=0.4 J/mm2。

溫升公式：

式中，t為溫升，℃；c為壓盤的比熱容，鑄鐵比熱容為481.4 J/(kg· )℃；m為壓盤質(zhì)量，27.3 kg；Y為傳到壓盤的熱量所占的比例，對(duì)于單片離合器，Y=0.5；L為滑磨功，80896 J。

由式（5）可以得出一擋起步溫升為3.08 ℃。

結(jié)論：?jiǎn)挝幻娣e滑磨功0.40 J/mm≤0.5滿足設(shè)計(jì)要求，一擋起步溫升3.08 ℃滿足設(shè)計(jì)要求不超過(guò)8 ℃。該款離合器滿足整車要求[4]。

2.3 分離行程

分離行程公式：

依據(jù)整車離合系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，式中，i為分離系統(tǒng)杠桿比7.85；S為離合器分離行程；L1為踏板行程170 mm；L2為空行程 15 mm；η為行程效率0.85。

由式（6）可以得出分離行程S=16.78 mm。

結(jié)論：由于蓋總成分離行程為12.5～14.5 mm，該失效件的分離行程為16.78 mm，超出了蓋總成極限行程，該參數(shù)不滿足使用要求，是導(dǎo)致離合器膜片彈簧斷裂的主要因素[5]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用離合器耐久性能試驗(yàn)臺(tái)，依據(jù)汽車干摩擦式離合器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法[6]，對(duì)合格樣件，進(jìn)行不同分離行程下的離合器膜片耐久性能試驗(yàn)，驗(yàn)證過(guò)程如下[7]：

1）試驗(yàn)一

試驗(yàn)條件：蓋總成轉(zhuǎn)速：1500 r/min，分離頻 率：2 Hz，分離行程：13 mm，試驗(yàn)次數(shù)：150萬(wàn)次。

試驗(yàn)結(jié)果：最大分離力變化量為初始值4.5%；工作壓緊力為初始值膜片式92.7%；壓盤升程為初始值的91.4%；

分離指端磨損量為原厚度的15.8%；各零件未失效。

2）試驗(yàn)二

試驗(yàn)條件：蓋總成轉(zhuǎn)速：1500 r/min，分離頻率：2 Hz，分離行程：16.5 mm，試驗(yàn)次數(shù)：32.9萬(wàn)次。

試驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)32.9萬(wàn)次動(dòng)態(tài)分離耐久性試驗(yàn)，送檢樣品膜片彈簧，就發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

通過(guò)試驗(yàn)一和試驗(yàn)二對(duì)比可以看出在相同工作環(huán)境下，分離行程在超出蓋總成極限行程的情況下，離合器膜片彈簧易出現(xiàn)斷裂故障。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)膜片彈簧失效樣件的全面分析，同時(shí)結(jié)合整個(gè)離合系統(tǒng)的理論校核，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，充分的確認(rèn)了蓋總成的分離行程超出極限行程是導(dǎo)致膜片彈簧斷裂的主要原因，后期就可以通過(guò)改進(jìn)蓋總成的分離行程來(lái)解決該項(xiàng)故障，從而保證離合器總成的使用性能，進(jìn)而保證車輛安全、高效地運(yùn)行。