離合器膜片彈簧斷裂失效分析及匹配設計

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構，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對稱零件，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。離合器蓋與發動機飛輪用螺栓緊固在一起，當膜片彈簧被預加壓緊，離合器處于接合位置時，由于膜片彈簧大端對壓盤的壓緊力，使得壓盤與從動盤摩擦片之間產生摩擦力。當離合器蓋總成隨飛輪轉動時，就通過摩擦片上的摩擦轉矩帶動從動盤總成和變速器一起轉動以傳遞發動機動力，要分離離合器時，將離合器踏板踏下，通過操縱機構，使軸承總成前移推動膜片彈簧分離指，使膜片彈簧呈反錐形變形，其大端離開壓盤，壓盤在傳動片的彈力作用下離開摩擦片，使從動盤總成處于分離位置，切斷了發動機動力的傳遞[2]。

膜片彈簧頻繁發生斷裂故障會直接導致離合器壓盤總成損壞，導致整個離合系統使用性能喪失，導致車輛停運，由于離合器裝配在發動機和變速箱連接處的內部，維修也極為困難，耗費工時較多，會因維修過程導致車輛停運時間較長，給客戶帶來很大的損失。

為了找到離合器膜片彈簧發生斷裂故障的主要原因，特從多方面對膜片彈簧及整個離合系統進行了系統的分析。

1 膜片彈簧失效樣件分析

1.1 失效樣件準備

準備好離合器膜片彈簧斷裂失效樣件，并對離合器膜片彈簧失效樣件進行觀測，整體形貌如圖 1 所示，膜片彈簧共有3個斷口，斷裂成3個部分，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及工藝屬性及生產過程控制方案，具體如下：材料牌號為50CrV4，熱處理方式為淬火+中溫回火，表面硬度為45～50 HRC。

1.2 對失效樣件宏觀分析

斷口1#、2#、3#宏觀形貌如圖 2 所示，三個斷口相似，均可見明顯的疲勞臺階（小臺階），疲勞擴展區、瞬斷區（最終斷裂區）。根據斷口瞬斷區面積大小、疲勞擴展區的細膩程度分析可知斷口2#為首斷斷口，下文針對斷口 2#進行詳細分析。

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，其擴展方向如圖 3箭頭所示。

圖3 斷口2#宏觀形貌

綜上，認為分析斷口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A1至 A3區域進行SEM微觀形貌分析。

圖4 取樣示意圖

A1區域微觀形貌如圖 5所示，根據放射性“射線”的形貌可知裂紋源位于圓弧內表面，如圖5箭頭所示，與宏觀分析一致。裂紋源位置被嚴重氧化，未見明顯缺陷。

圖5 A1區域微觀形貌

A2區域為裂紋擴展區，如圖 6 所示，該區域可見典型的疲勞輝紋形貌和少量二次裂紋形貌，進一步表明膜片彈簧的失效模式為疲勞斷裂。

圖6 A2區域微觀形貌

A3區域為瞬斷區（最終斷裂區），如圖7所示，該區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表面，裂紋源位置未見明顯缺陷，與宏觀分析結論一致。

1.4 化學成分分析

在膜片彈簧上取樣進行光譜化學成分分析，結果如表1所示，可知膜片彈簧化學成分符合技術規范要求。

表1 膜片彈簧化學成分分析結果

1.5 硬度檢測分析

膜片彈簧上取樣進行硬度測試，測試結果如表 2 所示，可知該膜片彈簧的硬度符合技術規范要求。

表2 膜片彈簧硬度測試結果

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、化學成分等均符合技術規范，未見異常。膜片彈簧宏觀可見疲勞臺階，微觀可見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 SEM 形貌可見剪切韌窩形貌特征，故分析認為膜片彈簧的失效模式為多源塑性疲勞斷裂。

根據放射性“射線”和疲勞輝紋的形貌可知裂紋源位于膜片彈簧圓弧內表面，裂紋源區域未見明顯缺陷，疲勞裂紋的產生可能與離合器使用過程有關。

1.7 失效件分析意見

膜片彈簧金相組織、表面硬度、化學成分、非金屬夾雜物等指標均未見異常。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表面，裂紋源處未見明顯缺陷，疲勞裂紋的產生可能與離合器使用過程有關。

2 對整車離合系統進行理論分析校核

2.1 后備系數

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，值為0.3；Z為摩擦片面數，為2；RC為摩擦中徑0.1724 mm[3]。

式中，β為蓋總成后備系數；Temax為發動機扭矩 1840 Nm。

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

結論：后備系數滿足要求。

2.2 滑磨功和溫升

滑磨功計算式：

式中，L為滑磨功，J；m為汽車滿載質量，值為49000 kg；r為車輪滾動半徑0.531 m；n為發動機轉速（按照1450 r/min）；ig為變速器傳動比（一擋起步11.89）；io為主減速傳動比（3.73）。

單位面積滑磨功計算式：

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

根據上述參數利用式（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為壓盤質量，27.3 kg；Y為傳到壓盤的熱量所占的比例，對于單片離合器，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 ℃。

結論：單位面積滑磨功0.40 J/mm≤0.5滿足設計要求，一擋起步溫升3.08 ℃滿足設計要求不超過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：

依據整車離合系統相關參數，式中，i為分離系統杠桿比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，該參數不滿足使用要求，是導致離合器膜片彈簧斷裂的主要因素[5]。

3 試驗驗證

利用離合器耐久性能試驗臺，依據汽車干摩擦式離合器總成臺架試驗方法[6]，對合格樣件，進行不同分離行程下的離合器膜片耐久性能試驗，驗證過程如下[7]：

1）試驗一

試驗條件：蓋總成轉速：1500 r/min，分離頻 率：2 Hz，分離行程：13 mm，試驗次數：150萬次。

試驗結果：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）試驗二

試驗條件：蓋總成轉速：1500 r/min，分離頻率：2 Hz，分離行程：16.5 mm，試驗次數：32.9萬次。

試驗結果：經32.9萬次動態分離耐久性試驗，送檢樣品膜片彈簧，就發生斷裂現象。

通過試驗一和試驗二對比可以看出在相同工作環境下，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斷裂故障。

4 結論

通過對膜片彈簧失效樣件的全面分析，同時結合整個離合系統的理論校核，并通過臺架試驗驗證的方式，充分的確認了蓋總成的分離行程超出極限行程是導致膜片彈簧斷裂的主要原因，后期就可以通過改進蓋總成的分離行程來解決該項故障，從而保證離合器總成的使用性能，進而保證車輛安全、高效地運行。