膜片彈簧外緣疲勞斷裂分析

閆胤兆 趙文龍 何亮亮

（1.法士特伊頓（西安）動力傳動系統(tǒng)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077；2.法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710077）

膜片彈簧外緣疲勞斷裂分析

閆胤兆1趙文龍1何亮亮2

（1.法士特伊頓（西安）動力傳動系統(tǒng)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077；2.法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710077）

本文以法士特伊頓（西安）動力傳動系統(tǒng)有限責(zé)任公司新開發(fā)的一種適配發(fā)動機的拉式離合器為研究對象，分析了一次膜片彈簧外緣產(chǎn)生疲勞裂紋源的現(xiàn)象，從設(shè)計以及微觀分析角度找到了問題的原因，并提出了解決方案。

離合器；膜片彈簧；疲勞；斷口分析

法士特伊頓（西安）動力傳動系統(tǒng)有限責(zé)任公司新開發(fā)了一種適配發(fā)動機扭矩2 500Nm的430拉式離合器，該離合器設(shè)計壽命360萬次。在產(chǎn)品進行實驗室驗證階段，第三個離合器蓋總成在試驗350萬次后膜片彈簧發(fā)生斷裂，未能達到設(shè)計要求。本文針對這個問題進行了詳細分析，找到了斷裂的原因，并進行了改善，改善后零件達到了設(shè)計壽命。

1 膜片彈簧關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)、生產(chǎn)流程及實驗條件

該離合器膜片彈簧材料為50CrV4，厚度h=5.60mm，碟區(qū)外徑2R=395.7mm，碟區(qū)內(nèi)徑312.0mm，支撐環(huán)（2L）及壓盤接觸點對應(yīng)半徑（2l）分別為195mm和167.5mm，內(nèi)截錐高H=9.6mm。

制造工藝流程為：鋼板軋制、落料、沖孔、沖分離指、擠壓圓角、壓淬、清洗、回火、高頻、拋丸、強壓檢測、涂油包裝。

實驗條件為：將膜片彈簧裝配成蓋總成，固定在疲勞試驗機上，使用墊塊調(diào)節(jié)壓盤位置，模擬蓋總成分別處于新點、半磨損點及舊點時的狀態(tài)，分別連續(xù)離合120萬次，分離行程12.7mm，頻率6Hz。

2 膜片彈簧受力分析

在使用過程中，膜片彈簧碟區(qū)截面的4個頂點處力值最大，最有可能首先出現(xiàn)裂紋。因此需要分析零件在四個頂點處的應(yīng)力狀態(tài)，頂點編號見圖1。

圖1 碟區(qū)剖面

由4個角點的應(yīng)力計算公式［1］可得，4個角點的應(yīng)力σ和大端變形λ1的特性曲線如圖2所示（取壓盤升程2mm時對應(yīng)位置為分離點）。

圖2 σt-λ1特性曲線

同時可以得出：離合器在各個位置時角點（Ⅱ，Ⅲ）對應(yīng)的應(yīng)力以及結(jié)合分離過程中的應(yīng)力幅（Ⅰ，Ⅳ角點為壓應(yīng)力，裂紋萌生擴展一段后會停止擴展［2］），具體如表1所示。

表1 膜片彈簧應(yīng)力及應(yīng)力幅

從表1可以看出，試驗條件下角點Ⅱ處的應(yīng)力小于Ⅲ處的應(yīng)力；而試驗過程中的應(yīng)力幅相差不大，新點時Ⅱ處的應(yīng)力幅較大，舊點時Ⅲ處的應(yīng)力幅較大。因此，綜合分析，Ⅲ處應(yīng)該是裂紋源［3］。

3 斷裂的膜片彈簧拆解分析

斷裂的蓋總成拆解后未發(fā)現(xiàn)異常磨損，膜片彈簧斷裂位置如圖3所示。從圖3可以看出斷裂路徑由外緣（Ⅲ點）產(chǎn)生裂紋，之后逐漸轉(zhuǎn)向分離指根部（Ⅱ點）。

圖4 裂紋宏觀形貌（外緣）

斷裂部分切檢后用電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋源在Ⅲ處，能明顯觀察到裂紋擴展區(qū)及最后斷裂區(qū)（圖4～圖12）。零件組織成分均未發(fā)現(xiàn)異常。

圖3 裂紋走向

圖5 裂紋宏觀照片（內(nèi)緣）

圖6 裂紋源a（Ⅲ）

圖7 疲勞輝紋（b）

圖8 裂紋擴展區(qū)（b）

圖9 裂紋擴展區(qū)與最后斷裂區(qū)分界（c）

圖10 最后瞬裂區(qū)（d）

微觀分析得出的結(jié)論與理論分析的結(jié)果一致，也支持由Ⅲ處產(chǎn)生的裂紋源在試驗的交變應(yīng)力作用下發(fā)生的疲勞斷裂。

4 結(jié)論及解決方案

由于膜片彈簧在Ⅲ處產(chǎn)生裂紋，通過觀察Ⅲ處的擠壓圓角，發(fā)現(xiàn)圓角與凹面的過渡圓角有尖點，裂紋源正是位于該處。因此，更換調(diào)整該擠壓圓角的成型模具，減少間隙，將擠壓圓角處做成光滑過渡，之后再進行疲勞試驗，按照同樣的試驗條件共試驗6件，均未發(fā)生斷裂。最終該型離合器順利通過驗證。

［1］ 徐石安，江發(fā)潮.汽車離合器［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］ S.Suresh.材料的疲勞［M］.2版.北京：國防工業(yè)出版社，1993.

［3］ 朱茂桃，夏長高，高翔.膜片彈簧疲勞斷裂的試驗分析［J］.汽車工程，2001（2）：139-142.

Fatigue Fracture Analysis of Diaphragm Spring

Yan Yinzhao1Zhao Wenlong1He Liangliang2
（1.Fast Eaton(Xi'an)Power Transmission System of Limited Liability Company，Xi'an Shaanxi 710077；2.Fast Auto Transmission Engineering Research Institute，Xi'an Shaanxi 710077）

With the fast development of Fast Eaton(Xi'an)Power Transmission System of Limited Liability Company was a kind of adaptive engine pull clutch as the research object,and the phenomenon of fatigue crack source on the outer edge of a diaphragm spring was analyzed.The causes of the problem were found from the point of view of design and microscopic analysis,and solutions were put forward.

clutch；diaphragm spring；fatigue；fracture analysis

U463.211

A

1003-5168（2017）11-0085-02

2017-10-09

閆胤兆（1990-），男，本科，助理工程師，研究方向：膜片彈簧制造；趙文龍（1988-），男，本科，助理工程師，研究方向：離合器設(shè)計。