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摘要：汽车在起步、换挡和爬坡行驶时离合器因滑摩而产生大量的热,使离合器温度急剧升高，高温部件因为热膨胀受约束而产生热应力和热变形，通过对膜片弹簧进行热处理来改变其硬度，探索不同硬度状态下，对其性能和寿命之影响，提出了基于50CrV4材料的热处理硬度HRC值选择范围。基于此，本文主要对热处理硬度对汽车离合器膜片弹簧性能的影响进行分析探讨。
关键词：热处理硬度；汽车离合器；膜片弹簧性能；影响
1、前言
在现代汽车中，特别是中轻型汽车的离合器总成中，压力元件几乎都是用膜片弹簧，这是因为膜片弹簧结构简单、紧凑，传递扭矩大且较稳定，操纵轻便，接合和分离时较平稳，散热通风性能较好，特别是具有独特的弹力曲线，因而被广泛采用。在汽车离合器总成中，膜片弹簧性能对离合器总成的使用性能和寿命影响很大，是一个非常重要的元件，如何提高其性能和寿命，是所有汽车零部件制造商都要面对的问题。提高其性能和寿命，有不同的途径，而通过热处理改变膜片弹簧的硬度，来提高其性能和寿命，则是一个有效的途径。
目前的膜片弹簧材料多采用50CrV4冷轧弹簧钢板，制造工艺是冲压成型后进行热处理、表面局部喷丸强化处理。锥度约10°～13°，中心部分开有许多均匀分布的径向槽，构成圆锥状弹簧片，这些片起分离杠杆作用。我们知道，冷轧弹簧钢板需要经过热处理硬化后，才具有强的弹性特性。冲压成型的膜片弹簧，经过热处理后就具有了较强的弹力，而弹力的强弱又与材料的硬度有关，不同的弹簧硬度，使汽车离合器具有不同的弹力特性和使用寿命。因此，研究热处理硬度对膜片弹簧的性能和寿命之影响，具有非常重要的意义。本文通过实验研究及理论分析，拟找出最佳热处理硬度范围。
2、样品准备
为了得到膜片弹簧最佳硬度范围，需要做许多试验，对许多技术参数进行对比。因此，必须准备许多膜片弹簧样品以供试验。我们为了设计一款微型货车离合器，批量生产前，必须要做样品试验，以确定产品的技术参数。选择的离合器膜片弹簧样品，数量约30件，基本技术参数如表1，热处理前所有制造工艺与参数都是一样的。
表1
3、样品的热处理及数据
要想获得硬度对离合器膜片弹簧性能和寿命之影响，就必须对样品做出各种硬度值，然后做对比试验。我们把30件样品分成5组，每组6件进行热处理。所制定的热处理工艺流程及参数：用保护气氛连续炉，加热并保温、淬火、清洗、回火都在一台连续炉设备上完成。流程：加热并保温→淬火→清洗→回火。如果变形超差，则需增加校直→回火。
硬度值从HRC45-HRC62之间，第一组为HRC45，第二组为HRC50，第三组为HRC55，第四组为HRC58，第五组为HRC62，测得硬度与弹力最大峰值之关系数据如表2。从测得数据发现，硬度越大，弹力越大，当硬度小于HRC50时，弹力下降较大，为了考证弹力的稳定性，我们将热处理后的膜片弹簧装配起来，在试验台架上模拟汽车工作状态，工作一定时间再测量弹力曲线。从试验测得的数据发现，膜片弹簧工作一定时间后，弹力均有下降，硬度低的，弹力下降较大，硬度高的下降较小，即弹力较稳定。
表2
为了考证各硬度值下的弹力衰退速度和寿命长短，对离合器进行了连续不断的台架循环工作试验，结果发现，初始阶段均下降较快，硬度高的比硬度低的下降率小些，到一定次数后如10000次时，下降趋于缓和。在进行了弹力衰退率试验后，我们选取部分样品继续做耐久试验，以测量寿命值及了解其失效之原因。结果发现，硬度小的样品寿命长过硬度大样品，这是因为硬度高，材料脆性大，硬度低，材料韧性好所致。失效之原因，均是从膜片的槽圆角处径向断裂，说明膜片弹簧承受着较大的切向拉应力，如能改善槽圆角处的应力集中问题，可提高其寿命。
4、热结构分析
4.1热-结构耦合分析
采用顺序耦合分析法，在膜片弹簧温度场分析结束后将热分析单元转换成结构分析单元solid187。对膜片弹簧与压盘和支撑环的接触面进行固定约束，把温度场作为温度载荷施加在膜片弹簧上，另外设置环境常温20℃作为耦合分析的参考温度，加载完成进行耦合分析。分析结果如图1所示。
图1膜片弹簧热应力/热变形与压盘温度关系
图1(a)和图1(b)分别为压盘温度250℃时膜片弹簧耦合分析的热应力和热变形。由图1(a)可见，最大等效热应力为823MPa，集中在分离指根部，原因是在此区域温度梯度很明显，热膨胀在窗孔处相互挤压产生很大的应力，这些热应力的位置与膜片弹簧工作时受载变形产生的最大应力位置正好重合，对膜片弹簧造成了很大威胁;其次是膜片弹簧与压盘接触区域热应力比较大。由图1(b)可见，热应变引起的膜片弹簧最大轴向热变形为0.18mm，它主要因温度变化和不同部位的温差而产生，此外窗孔处的热膨胀挤压不均匀也会引起轴向热变形，它会使膜片弹簧压紧力变化，导致压紧力下降或压紧力分布不均。由图3(c)和图3(d)可见，随着压盘的温度升高，热应力和轴向热变形也逐渐变大，而热应力的增大随压盘温度升高稍趋平缓，因为热应力有自限性，随着温度升高蠕变和塑性变形加强，可使应力增加变缓。轴向热变形量越来越大，因为随着压盘温度升高，轴向温度差变大，热变形加剧。
4.2载荷-变形分析
分别对膜片弹簧进行静结构和热-结构耦合载荷-变形分析，分析结果如图2所示。由图2(a)可见，膜片弹簧热-结构耦合分析的最大压应力为1949MPa，最大拉应力为842MPa;而静结构分析的最大压应力为2042MPa，最大拉应力为845MPa。在温度影响下最大拉/压应力分别下降了0.2%和4%，这说明温升使膜片弹簧变形应力降低。由图2(b)可见，温度对膜片弹簧载荷-变形特性具有较大影响。热-结构耦合分析的膜片弹簧载荷峰值比静结构分析的载荷峰值小1062N，而谷值稍有增大，且谷值所对应的膜片弹簧大端变形量减小，分离点所对应载荷增大。结合膜片弹簧的工作点可知，高温使膜片弹簧工作载荷减小，分离力增大，且磨损区减小，磨损寿命降低。
图2载荷和变形分析结果
5、结语
通过试验，为我们进行设计提供了可靠的依据，总结以上实验数据，我们得出结论，热处理可大大提高汽车离合器膜片弹簧的性能和使用寿命，硬度值越大，弹力越大，但并非越高越好，因脆性也变大，寿命变短，硬度小，虽寿命长，但弹力不够，而且衰退快，幅度大。所以，综合分析得出，使用50CrV4材料作为膜片弹簧的汽车离合器，热处理硬度选择在HRC58-60为宜。
参考文献：
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