李海濤
摘 要:本文通過(guò)對(duì)離合器壓盤(pán)的斷口觀察、理化檢測(cè)以及FEA應(yīng)力應(yīng)變分析,得出:由于壓盤(pán)邊緣為E形石墨組織,使壓盤(pán)的機(jī)械性能下降;高溫和高載工況下,在壓盤(pán)背面增強(qiáng)凸臺(tái)倒角處即最大應(yīng)力處,由于過(guò)載而萌生裂紋,裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致斷裂。
關(guān)鍵詞:離合器;壓盤(pán);斷裂;E形石墨
壓盤(pán)斷裂是離合器開(kāi)發(fā)階段常見(jiàn)的失效形式,多發(fā)生在受力復(fù)雜的耳部。在某款混動(dòng)變速箱中,開(kāi)發(fā)階段出現(xiàn)壓盤(pán)斷裂,本文對(duì)其進(jìn)行了調(diào)查和分析。
1 新能源變速箱對(duì)離合器的功能要求
由于新能源變速箱檔位少,因此電機(jī)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(shí)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(dòng)盤(pán)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(jī)一般被設(shè)計(jì)安裝在密閉的殼體中,電機(jī)工作中自身也需要散熱,因此相比于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)離合器的應(yīng)用條件,此設(shè)計(jì)離合器的散熱環(huán)境較差。
2 壓盤(pán)斷裂情況
在模擬整車(chē)工況的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)進(jìn)行至90%時(shí),發(fā)現(xiàn)動(dòng)力輸出異常,并伴有離合器從動(dòng)盤(pán)燒毀的焦糊味。經(jīng)停機(jī)檢查,診斷為離合器功能異常,拆卸后發(fā)現(xiàn)離合器壓盤(pán)多處斷裂,從動(dòng)盤(pán)被燒毀,殼體內(nèi)存在大量離合器粉塵。
3 壓盤(pán)斷裂的調(diào)查與分析
3.1 壓盤(pán)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(pán)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(dòng)盤(pán)來(lái)分析,這些磨損劃痕應(yīng)為從動(dòng)盤(pán)燒損后,從動(dòng)盤(pán)上的鉚釘與壓盤(pán)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(pán)內(nèi)徑面;從背面看,裂紋出現(xiàn)在壓盤(pán)與增強(qiáng)凸臺(tái)圓角附近,并沿著凸臺(tái)走向向外徑面擴(kuò)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(qiáng)凸臺(tái)與壓板平面的圓角處,并向工作表面擴(kuò)展。
3.2 壓盤(pán)應(yīng)力-應(yīng)變FEA分析
圖2為工作狀態(tài)下,壓盤(pán)的FEA簡(jiǎn)化應(yīng)力分析結(jié)果。圖中顯示:由于電機(jī)動(dòng)力通過(guò)花鍵從轉(zhuǎn)子傳遞到壓盤(pán),因此應(yīng)力最大位置發(fā)生在壓盤(pán)的花鍵槽中,最大值為250Mpa;另一應(yīng)力最大點(diǎn)發(fā)生在內(nèi)徑面附近的工作表面上,高達(dá)220Mpa。圖3為工作狀態(tài)下壓盤(pán)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(shí),整個(gè)系統(tǒng)的變形量為0.933mm。從變形趨勢(shì)看,壓盤(pán)背面靠?jī)?nèi)徑側(cè)向上凸起,受力狀態(tài)應(yīng)為拉應(yīng)力。從趨勢(shì)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(tái)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(shí),壓板背面增強(qiáng)凸臺(tái)圓角處為危險(xiǎn)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(jiàn)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(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。斷裂的方式應(yīng)為漸進(jìn)式,路徑如圖中黃色箭頭所示。裂紋首先在壓盤(pán)背面增強(qiáng)凸臺(tái)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(kāi)閉或振動(dòng)引起的載荷變化而擴(kuò)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(guò)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(xì)觀察裂紋起源位置,未發(fā)現(xiàn)到任何導(dǎo)致壓盤(pán)開(kāi)裂的如夾雜,氣孔等質(zhì)量問(wèn)題。
3.4 材質(zhì)檢驗(yàn)
分別對(duì)表面和心部做金相分析和硬度檢測(cè),檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。圖5為壓盤(pán)心部組織照片,顯示為A形石墨,評(píng)級(jí)為5級(jí);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(shí)對(duì)試樣硬度的測(cè)量結(jié)果顯示,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此可以判斷壓盤(pán)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(kāi)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(shì)。圖6為壓盤(pán)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(qiáng)度韌性相比于A形石墨大為降低。
3.5 壓盤(pán)工作表面組織觀察
圖7是對(duì)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(méi)有改變工作表面的組織。黑色區(qū)域?yàn)殡x合器壓盤(pán)的熱點(diǎn)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(méi)有超過(guò)臨界點(diǎn),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(jī)的散熱,使離合器的工作環(huán)境溫度較高;壓盤(pán)表面的E形石墨組織使材料的力學(xué)性能下降,同時(shí)高溫也使材料的力學(xué)性能下降,再加上增強(qiáng)凸臺(tái)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(guò)材料承受極限萌生裂紋,裂紋漸進(jìn)式擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。裂紋產(chǎn)生后,壓盤(pán)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(diǎn),使從動(dòng)盤(pán)磨損加劇,并最終導(dǎo)致燒毀。
壓盤(pán)表面E形石墨是在鑄造過(guò)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(shí),應(yīng)加強(qiáng)壓盤(pán)的剛性或修改壓盤(pán)增強(qiáng)凸臺(tái)處的倒角減小由變形帶來(lái)的應(yīng)力。
4 結(jié)論
1.壓盤(pán)斷裂是由背面增強(qiáng)凸臺(tái)倒角處,過(guò)載萌生裂紋,裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致斷裂;
2.壓盤(pán)材料組織未發(fā)生變化,離合器工作溫度未超過(guò)壓盤(pán)材料臨界溫度;
3.壓盤(pán)邊緣為E形石墨組織,造成了邊緣處機(jī)械性能的下降,在高溫和高載工況下,? 造成過(guò)載,萌生裂紋。
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