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变扭器联轴器膜片疲劳破坏的分析

2021-03-02 11:46:36

变扭器联轴器膜片疲劳破坏的分析与处理

变速箱联轴器膜片出现多次断裂,根据故障现象,分析原因,找到存在的缺 陷,进行了正确的改进和变换处理,避免了重复使用配件带来的经济损失,为同类机型的问题处理探索出一条新方案,产生了较好的经济效益。

膜片应力分析

膜片是联轴器的关键元件,由于轴线间偏移、传递转矩、承受离心力,膜片工作时处于复杂的受力状态。膜片作为弹性元件,膜片承受的负荷有:轴向偏移、传递转矩、旋转离心力、螺栓拧紧力、角向偏移、弯曲应力、膜面应力、离心应力、挤压应力、弯曲应力。前4种为稳态应力,后均为交变应力,这里着重讨论轴线间偏移和传递转矩时膜片的应力。膜片变形是薄板弯曲问题,一般情况下,膜片承受的预变形是小变形,采用小挠度理论来处理。膜片上相邻两孔的螺栓分别与两端轴和中间轴的凸沿相连接,即螺栓相间反向布置,导致它们之间通过膜片的挠性可以有相对位移。当确定一个孔所在的位置是固定时,相邻的两孔处,由于预变形而导致法向作用力,对隔过一个孔的第三孔,又可为固定约束。

膜片疲劳寿命分析

膜片作为关键性元件,其疲劳寿命决定着膜片联轴器的正常使用寿命。上面由有限元分析,可求得膜片所受的应力状态。又由于膜片是个缺口件,其疲劳强度和寿命取决于应力集中(或应变集中)处的较大局部应力和应变(螺栓孔位置),因此,适宜用局部应力—应变法计算其疲劳裂纹萌生寿命。局部应力-应变法是近代在低周疲劳计算公式的基础上,提出的新的疲劳寿命估算方法,认为只要较大局部应力应变相同,疲劳寿命就相同。局部应力-应变法估算出的是裂纹形成寿命。

由于支撑导向轴的钢盘材质硬度不足,钢盘上的定位孔在交变应力的长期作用下,首先出现了扩大变形,使导向轴头的离心惯性力加大,然后反过来破坏了变扭器高速旋转时的动平衡,平均应力超过了钢片内圆螺栓孔处的疲劳及限。一次的检修只是简单更换了钢片,没有发现和处理好导向轴定位的问题,以致重复出现该故障。再经过向生产厂家的了解:该批次的作业车原设计为康明斯NT855发动机和NICO变扭器装配,后来生产厂家为了降低成本,致使飞轮和变扭器连接关系发生改变,因为原装的导向轴长度就相对短了6cm,没法装配到潍柴615的飞轮定位孔里;不得已根据装配的需要,才在飞轮上加装了一个连接钢盘,来支撑那根较短的导向轴。

除了更换钢片外,再更换变扭器的导向轴头,在原件尺寸基础上加长了6cm,使轴头能直接放入飞轮中间的导向轴承孔,飞轮的钢材为合金结构钢35SiMn,强度符合设计要求;轴孔间隙控制在0.10mm以下;加长后的轴中间部位用尼龙套加以固定;轴孔接触面清洁后涂抹润滑油,满足曲轴轴向运动需要;连接螺栓严格遵循原厂力矩要求和拧紧顺序。这样处理,就同时解决了定位孔的强度、曲轴与变扭器的同轴度等两大问题;改制零件涉及到材料性能的变化,为了使其综合机械性能接近原厂件,新加工的导向轴选用了经过调质处理的45号钢,硬度值经过测试,达到HBS285,使其能够承受变扭器高速旋转产生的交变应力而不变形。装好后试车,变扭器旋转平稳,变速箱各个档位操作正常,车辆恢复了正常使用。又经过了8个月的施工运行后,从观察孔处检查,连接钢片依然完好如初,达到预期的修 复目标。