离合器减振弹簧断裂分析

第一汽车集团公司  刘柯军  蔡日恒  张磊

1  断裂情况

某载货车离合器装减振弹簧6件，非等距对称地安置在从动盘、盘毅及减振盘上。位置如图1的盘毅弹簧窗孔所示。工作中，弹簧在减振盘和从动盘与盘毅孔之间承受压缩和冲击载荷，起传递扭矩和减缓冲击振动的作用。

如图1所示，共有1、2.3.6号4个弹簧发生断裂.其中1号簧断为3截，其它簧均断为两截.除3号簧断在支承圈处，其它各弹簧均断在工作圈上，如图2。各断口的主断裂方向均与弹簧钢丝的轴线方向呈45度角，即在扭转的最大正应力方向开裂。而3号赞的支承圈断裂断口为低周弯曲疲劳断口，从辉纹判断其受力周次约为10余次，如图3所示。

图1  断裂弹赞在盘毅上的位置                  图2  弹簧工作圈断口及源区凹坑

该离合器的减振弹黄钢丝表面上有如下几种缺陷:在1号长上发现有3处明显的凹坑.最大凹坑深度为0.63mm，图2所示断口断裂源即起源于此表面缺陷。在这些断裂弹簧中均发现有卷簧时产生的程度不同的擦伤，断裂源也有起源于此的。

图3  高应力低周疲劳断口                        图4  有沿晶倾向的断口

用扫描电镜观察断裂弹簧的断口，为具有沿晶倾向的细碎断口，如图4。

按照AP离合器技术条件中关于规格、化学成分及强度的要求，该弹簧采用退火态的65Mn钢丝，规格为6.3mm.卷后再经淬火加中温回火处理。硬度要求为44-49HRC.抗拉强度Qb为1440-1640MPa，钢丝表面不得有脱碳及其它缺陷，在断簧中存在有严重的材料表面缺陷凹坑和明显的卷制擦伤，而且硬度均在技术要求的上限或超上限，这些将带来应力集中，增加脆性断裂的敏感性，影响疲劳寿命。

2  减振弹簧的受力计算分析

在正常工作条件下，6只减振弹簧均匀地传递着发动机输出扭矩，止动销不承载。该车采用6110柴油机，最大输出功率为117.68kW.最大扭矩为450N?m。按实测的减振弹簧中心轴至盘毅中心线的距离为59.7mm计算，6只减展获总承载7627N，平均每只簧的压缩负荷为1271N，经计算单簧最大工作切应力为r=403MPa。此值为技术要求的抗拉强度Qb=1440MPa的28%，即0.28Qb，因此对保证40万次的疲劳寿命来讲，不应存在间题。

但在实际使用过程中.由于零件的加工及装配误差，各种表面缺陷所产生的应力集中，以及由于使用过程中存在的冲击载荷等，都可能使该弹簧所承受的应力大大地高于计算值，以致产生疲劳断裂甚至突发性脆性断裂。

3  弹簧的检验

3.1 金相检验

钢丝金相组织为回火屈氏体或回火马氏体，组织细致。

3.2 硬度

断簧1、2、3号的硬度(HRC)分别为48、50、48～49。

3.3 负荷试验

3.3.1 取该离合器的4号弹簧进行负荷性能测试，其刚度为727.3N/mm;压到29.3mm高度时负荷为2071N；压到28.7mm高度时负荷为2500N。试验数据符合技术条件要求。

3.3.2 在生产线取4件硬度为下限(44.5～45HRC)的弹簧进行负荷试验，结果如表1。

试验结果基本符合图纸要求，残余变形量为零，在此情况下，H=29.3mm的负荷只与弹簧的刚度有关。而刚度则决定于弹簧的尺寸与几何形状，因此将硬度控制在下限不会影响弹赞H=29.3mm高度时的负荷，而降低硬度对提高弹簧的脆断抗力是有好处的。

3.4 冲击压缩性能试验

3.4.1 在生产线取3件弹簧，硬度(HRC)分别为56，46，46。这3件弹簧表面均有明显的划痕擦伤。装在125次/min的冲床上进行冲击压缩试验。压缩后高度为28.6mm(低于规定值的28.7mm)。冲击250次后，未发生断裂。表明在此工况下，表面划痕擦伤未引起脆断。

3.4.2 将离合器中的未断簧及由现场抽取的弹簧，压到并圈的程度，保载72h，未发生延迟性断裂。

3.4.3 冲击性能试验

取原材料加工成3组试样：第1组为光滑试样，第2组为V型缺口试样，第3组为圆锥形凹坑试样。冲击试验时速度6m/s。试验数据见表2。

3组冲击试样的宏观断口(见图5)差别在于第1组有明显的弯曲变形，另两组没有。断口上剪切唇所占的比例也依次减小。电镜分析12组试样有明显差异。第2组与实际断簧基本相同，为细碎带有沿晶倾向的断口，第1组则为非常细微的带有韧窝倾向断口。

图5  冲击试样断口

3.4.4 表面残余应力测定

弹簧外圈表面残余应力为-313MPa。

4   讨论

4.1 断裂分析

4.1.1 同一离合器中相邻的4件弹簧均发生断裂，而且发生在很短的时间内，说明其工作状况相当不正常，特别是3号弹簧与窗孔的严重挤压形变及弹簧低周弯曲疲劳断裂更说明了这一点.这种非正常工作状况是由于某一簧首先断裂后仍在继续工作造成的。综合各断裂件断裂情况判断1号簧首先断裂。其余3个断口中，图2所示的起源于明显凹坑处的断口为第一断口，该断口附近钢丝表面因断后并圈产生的挤伤也最严重。

4.1.2 硬度处于48-50HRC时。表面明显的尖锐凹坑缺陷对冲击脆断非常敏感，可以认为造成此次断裂事故的根本原因是钢丝表面有较大且深的凹坑缺陷，该缺陷为原材料缺陷。

离合器在断、合过程中，减振弹簧承受着冲击压缩载荷。如果操作不当将会产生过高的冲击。在原材料表面有较严重的缺陷，硬度较高，装配质量又不理想的情况下，导致了这次罕见的行驶仅数公里的减振弹赞断裂。

4.2 减振弹簧制造的几个问题

4.2.1 弹簧原材料的各种表面缺陷应严格控制。

4.2.2 弹簧在卷制过程中的内侧和侧面的挤压擦伤比较严重，应采取有效措施予以控制。

4.2.3 减振弹簧的垂直度不理想.支承圈外张明显.对装配和使用都可能有影响。

4.2.4 从断簧的硬度看.都处在技术要求的上限或略超上限，增加了脆断的敏感性，在生产中应向中下限控制。为保证硬度的稳定性，其盐浴回火的时间应给予保证。在硬度检侧时。样品两面必须经磨床磨平。否则侧定值将大大地低于实际硬度值，使质量失去控制。

5  结论

a.减振弹簧断裂属冲击力作用下的脆性断裂，其根本原因是由于原材料表面存在严重缺陷，建议采取措施加强表面质量控制。

b.断裂弹簧的硬度在技术要求的上限或超上限，这将增加弹簧的脆断敏感性，建议将硬度向中下限调整。