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應力應變分析，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力處，由于過載而萌生裂紋，裂紋擴展最終導致斷裂。

關鍵詞：離合器;壓盤;斷裂;E形石墨

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

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速狀態，所以要求離合器能夠在高轉速下，具備高傳扭能力。為實現這一功能要求，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生的熱量。另外，電機一般被設計安裝在密閉的殼體中，電機工作中自身也需要散熱，因此相比于傳統發動機離合器的應用條件，此設計離合器的散熱環境較差。

2 壓盤斷裂情況

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

3 壓盤斷裂的調查與分析

3.1 壓盤失效件外觀宏觀觀察

圖1所示，在斷裂處，氧化燒損較為嚴重。另外，在壓盤的工作面上，可以發現靠近內圈側磨損嚴重，磨損表面存在很深的劃痕;相反在靠近外圓側，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：裂紋貫穿壓盤內徑面;從背面看，裂紋出現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。從內徑面（圖中側面）上觀察，可看出裂紋發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 壓盤應力-應變FEA分析

圖2為工作狀態下，壓盤的FEA簡化應力分析結果。圖中顯示：由于電機動力通過花鍵從轉子傳遞到壓盤，因此應力最大位置發生在壓盤的花鍵槽中，最大值為250Mpa;另一應力最大點發生在內徑面附近的工作表面上，高達220Mpa。圖3為工作狀態下壓盤的應變量，右側為裝配狀態下的應變量分布圖。從分析結果可知，離合器結合時，整個系統的變形量為0.933mm。從變形趨勢看，壓盤背面靠內徑側向上凸起，受力狀態應為拉應力。從趨勢上看，由于內徑面外側邊沿的變形量大于內側邊沿，因此拉應力應大于內側的壓應力220Mpa。再考慮到凸臺與壓板平面倒角位置處的應力集中，因此倒角處所承受拉應力大于外側邊沿。而HT300的安全應力為300Mpa，故從FEA應力-應變分析中亦可證實，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致的氧化色，根據氧化色的深淺可將斷口分為裂紋源、裂紋擴展區和瞬斷區。斷裂的方式應為漸進式，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，應力逐漸增大，最終應力超過材料的承載極限，導致瞬間斷裂形成圖中所示瞬間斷裂區。但在放大鏡下仔細觀察裂紋起源位置，未發現到任何導致壓盤開裂的如夾雜，氣孔等質量問題。

3.4 材質檢驗

分別對表面和心部做金相分析和硬度檢測，檢驗結果如表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，符合相應標準的要求。同時對試樣硬度的測量結果顯示，符合標準要求。因此可以判斷壓盤工作環境的溫度低于臨界轉變溫度（Ac1下限）。在此溫度（Ac1下限）范圍內加熱，鑄鐵中的共析滲碳體開始球化和石墨化，這種轉變隨溫度的升高而加劇。從圖中可以看出，組織中部分區域有球化趨勢。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，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果，從照片上看，白色區域仍為典型灰鐵組織：鐵素體和珠光體集體+A形石墨，表明高溫的工作環境并沒有改變工作表面的組織。黑色區域為離合器壓盤的熱點區域，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域的溫度并沒有超過臨界點，未造成組織的變化。黑色應為金屬表面氧化變色。

3.6 失效原因分析及解決途徑

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

壓盤表面E形石墨是在鑄造過程中，工藝控制不當所造成，應從澆注溫度、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力。

4 結論

1.壓盤斷裂是由背面增強凸臺倒角處，過載萌生裂紋，裂紋擴展最終導致斷裂;

2.壓盤材料組織未發生變化，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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