課題名稱 齒輪 油泵軸的失效分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 專業(yè)名稱 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2006年 2 月 1 日 5 月 31日 摘 要 隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)汽車及其零部件的安全可靠性要求也就不斷發(fā)展提高，作為 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟部件油泵，一旦 則造成汽車拋錨，重則造成車毀人亡，給人類的生命財(cái)產(chǎn)帶來需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 嚴(yán)重的危害。而齒輪油泵軸的斷裂又是油泵最容易失效的方式之一。近幾年來，隨著油泵凸端噴射壓力不斷提高，軸斷裂現(xiàn)象更為頻繁發(fā)生，占不僅給油泵生產(chǎn)廠商帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還嚴(yán)重地?fù)p害了油泵生產(chǎn)廠商的社會(huì)信譽(yù)。因此盡快找出軸斷裂的原因并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施迫在眉睫，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效應(yīng)。本課題就是分析研究齒輪油泵軸斷裂失效的原因并提出了對(duì)策。本文運(yùn)用失效分析程序圖及失效分析魚骨圖的方法，從原材料、加工工藝過程和 設(shè)計(jì)強(qiáng)度等角度出發(fā)，對(duì)齒輪油泵軸的疲勞斷裂失效原因首次進(jìn)行了詳細(xì)地剖析并提出了一些相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過宏觀和微觀斷口分析，確定凸輪軸的斷裂性質(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲扭轉(zhuǎn)復(fù)合疲勞斷裂。冷加工過程中鍵槽部位的加工尖角和熱處理過程中在鍵槽表面滲層中產(chǎn)生的網(wǎng)狀碳化物直接導(dǎo)致了疲勞裂紋的萌生 ;由于錐體部位的加工精度太差致使凸輪軸與提前器兩錐面貼合面積小于技術(shù)要求，導(dǎo)致由錐面貼合產(chǎn)生的摩擦力不能滿足傳遞扭矩的要求，使兩錐面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，致使鍵槽受力，從而加劇了己在鍵槽尖角處萌生的微裂紋擴(kuò)展。應(yīng)力計(jì)算表明，軸錐體鍵槽上方處所受的應(yīng)力 較大，再加上冷熱加工缺陷在鍵槽處引起的應(yīng)力集中，所以錐體鍵槽上方處最容易萌生疲勞裂紋并快速擴(kuò)展。這也就是疲勞斷裂主要發(fā)生于該部位的原因。熱處理淬火工藝不當(dāng)，心部組織中出現(xiàn)大量的未溶鐵素體，羽毛狀上貝氏體和魏氏組織等異常組織，也會(huì)使凸輪軸的疲勞強(qiáng)度及心部韌性急劇下降，促使疲勞裂紋快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致凸輪軸兩種類型的斷裂。針對(duì)上述失效原因，提出了以下改進(jìn)措施 :(1)在結(jié)構(gòu)允許的條件下，盡可能加大鍵槽需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 底部的圓角過渡 (2)提高冷加工質(zhì)量，增加錐面貼合面積及表面光潔度 (3)改進(jìn)熱處理工藝，提高熱處理質(zhì)量。通過理論分析及 反復(fù)試驗(yàn)采用錐體表面涂防滲碳劑新工藝代替原有工藝即錐體高頻退火，取得了令人滿意的效果，軸采用新工藝熱處理半年多來，至今未發(fā)現(xiàn)軸斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。 關(guān)鍵詞 :軸，表面涂防 ,斷裂分析，網(wǎng)狀碳化物，疲勞強(qiáng)度， 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 目 錄 第 1章 緒論 油泵的作用 油泵的組成及工作原理 機(jī)械失效模式 機(jī)械斷裂失效的危害性 失效分析的步驟及方法 2章 軸 凸輪軸的結(jié)構(gòu) 凸輪軸的工況 冷加工主要技術(shù)要求 熱處理技術(shù)要求 3章 應(yīng)力分析 計(jì)算工 況 凸輪軸受力分析 要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 載荷與慣性力 側(cè)向力 計(jì)算 彎矩的計(jì)算 最大切相力計(jì)算 最大正應(yīng)力的計(jì)算 主應(yīng)力計(jì)算 錐柱面交接截面校核 鍵槽截面校核 4章 綜合分析 疲勞源產(chǎn)生的因素 疲勞裂紋擴(kuò)展原因分析 5章 改進(jìn)措施 提高強(qiáng)度儲(chǔ)備 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提高表面光潔度 提高錐面的加工精度 工藝改進(jìn)設(shè)想 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)結(jié)果 小結(jié) 計(jì)心得 束語 考文獻(xiàn) 文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 第一章 緒論 1. 1892 年狄賽爾發(fā)明了柴油機(jī)，一個(gè)世紀(jì)以來，經(jīng)過幾代人的努力，柴油機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族。在今天的世界上，凡是有人類活動(dòng)的地方都有柴油 機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油機(jī)的心臟就是燃油噴射裝置 1，即通常所說的油泵油嘴。 柴油機(jī)用燃油裝置源于 1893年魯?shù)婪?始時(shí)試用煤粉作燃料，其后改用石油燃料。 1910年英國維克爾斯 (司的佳姆斯 明無氣噴射裝置 . 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 1922 年德國 司開始研制柴油噴射裝置， 1927 年開始成批生產(chǎn)，并不斷發(fā)展建立了完整的產(chǎn)品體系，成為世界上歷史最悠久，規(guī)模最大的油泵油嘴生產(chǎn)集團(tuán)。 隨后日本杰克賽爾公司和電裝公司，多次從德國 化吸收并不斷創(chuàng)新，逐步建立起自身的產(chǎn)品體系，成為世界上最大的油泵油嘴生產(chǎn)集團(tuán)之一。 近幾年來從柴油機(jī)的發(fā)展品種來說，大中型柴油機(jī)都轉(zhuǎn)向以經(jīng)濟(jì)性良好的直噴式為主流。與非直噴式柴油機(jī)相比，直噴式柴油機(jī)的燃燒室大，所以，噴射壓力要求高。另一方面，為了改善噴霧質(zhì)量，噴油壓力也有進(jìn)一步提高的趨勢(shì)?，F(xiàn)在許多國外廠家正在致力于開發(fā)能承受更高噴油壓力的噴油泵和高壓共軌燃油噴射裝置。 為了獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱性和乘坐舒適性，柴油機(jī)對(duì)燃油噴射裝置提出了更高的要求。為此，人們正 在研究引入電控噴油泵。 80 年代出現(xiàn)了電子控制噴油裝置的柴油機(jī)。 我國的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)起步較世界上其他先進(jìn)國家晚得多。 1908 年廣州均和安機(jī)器廠制造出的 8臥式煤氣機(jī)為我國第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)， 1915 年廣州協(xié)同和機(jī)器廠制造出我國第一臺(tái)柴油機(jī) 2。在 1949年以前我國的內(nèi)燃機(jī)發(fā)展緩慢，沒有形成一個(gè)完整的生產(chǎn)體系。經(jīng)過 50 多年的建設(shè)，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)迅速發(fā)展，柴油機(jī)制造廠遍布全國，產(chǎn)品應(yīng)用到汽車、拖拉機(jī)、工程機(jī)械、船舶等各行各業(yè)。油泵油嘴相應(yīng)地得到了迅速的發(fā)展，主要的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)有 100多家以上，組成了一個(gè)行業(yè)。其 中威孚集團(tuán)公司就是國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模最大，生產(chǎn)品種最齊全的專業(yè)生產(chǎn)廠。 1. 油泵系統(tǒng)通常由油泵、噴油器和高壓油管組成。 油泵的作用是根據(jù)柴油機(jī)的工況，將適量的燃油在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)以適當(dāng)?shù)男问絿娙肴紵遥纬蛇m合于燃燒的混合氣，滿足柴油機(jī)的性能要求。油泵的作用可以概括為 :(1)調(diào)節(jié)噴油量 :根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率將適量的燃油穩(wěn)定地噴入各氣缸 ;(2)調(diào)節(jié)噴油始點(diǎn) :根據(jù)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷控制噴油始點(diǎn)，保證得到完善的燃燒 ;(3)形成噴霧 :使燃油霧化，且均勻分布到燃燒室空間。它們決 定著柴油機(jī)的性能，需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放、噪聲及可靠性、耐久性等都有重要影響。 油泵的基本工作原理及過程為 :首先輸油泵從油箱中吸取燃油，經(jīng)燃油濾清器送入噴油泵的進(jìn)油腔，進(jìn)入油腔后的油通過進(jìn)油孔被吸入杜塞腔，由齒輪軸推動(dòng)柱塞上升，壓縮柱塞腔中的燃油使出油閥開啟，將燃油壓入高壓油管，柱塞的上升速度很快，所以油的壓力很快上升，壓力以音速從油泵端傳向噴油嘴。噴油嘴是個(gè)自動(dòng)閥針閥被調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力壓緊在座面上，當(dāng)壓力上升到大于調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力時(shí)針閥開啟，開始噴油 1。油泵是油泵系統(tǒng)的重要組成部分，而凸輪軸是油泵的關(guān)鍵部件。 油泵系統(tǒng)除了為柴油機(jī)提供燃油之外，它還為保證汽車能正常運(yùn)行而進(jìn)行噴油量調(diào)節(jié)。噴油量的調(diào)節(jié)由調(diào)速器控制口安裝調(diào)速器則是由柴油機(jī)工作的穩(wěn)定性要求所決定的。 柴油機(jī)為了能穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)，它的扭矩必須具有圖 1著轉(zhuǎn)速上升扭矩減小，柴油機(jī)在外界負(fù)荷阻力扭矩特性和自身輸出扭矩特性相交的轉(zhuǎn)速點(diǎn)平衡，即兩者相等，柴油機(jī)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。在平衡狀態(tài)下，如果受到某種干擾，則 : (1)若負(fù)荷減小，轉(zhuǎn)速上升，則柴油機(jī)的輸出扭矩減小 ，結(jié)果外界負(fù)荷的阻力扭矩大于柴油機(jī)的扭矩，柴油機(jī)就會(huì)降速，向穩(wěn)定轉(zhuǎn)速恢復(fù)，回復(fù)到平衡位置。 (2)若負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)速下降，則柴油機(jī)的輸出扭矩增大，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)上升，重新回復(fù)到平衡位置。 綜上所述，無論受到什么樣的干擾，總有一種回復(fù)到平衡位置的作用力存在， 這種力就是通過油泵改變每個(gè)循環(huán)的噴油量來實(shí)現(xiàn)的。其過程是 :柴油機(jī)通過提前器等部件把扭矩傳遞給油泵凸輪軸，帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過挺柱體推動(dòng)柱塞上升，通過改變柱塞斜槽的位置調(diào)節(jié)噴油量。 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 圖 1 發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定平衡狀態(tài) 整個(gè)油泵的結(jié)構(gòu)如圖 1在油泵中位于泵體的下部，由兩個(gè)圓錐滾子軸承支承，其前端裝有一提前器，后端與調(diào)速器相連。軸上有若干個(gè)凸輪 (與發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸數(shù)相同，本課題研究的對(duì)象為 6 個(gè)凸輪 )，中部還有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輸油泵的偏心輪。凸輪外形采用緩降切線， 故軸不能反轉(zhuǎn)使用。柴油機(jī)工作時(shí)通過提前器等部件把動(dòng)力傳遞給凸輪軸的驅(qū)動(dòng)端，由驅(qū)動(dòng)端帶動(dòng)整個(gè)油泵工作，因此軸工作時(shí)驅(qū)動(dòng)端受力最大，軸斷裂基本上也都發(fā)生在驅(qū)動(dòng)端。軸的 斷裂是機(jī)械失效模式的一種，因此有必要對(duì)失效分析的一些機(jī)理及方法作一介紹。 1. 1. 3. 1，機(jī)械失效模式 機(jī)械失效就是機(jī)械零件在服役過程中喪失其規(guī)定的功能不能繼續(xù)可靠地服役。一般有三種形式 :全喪失功能，如零件的斷裂。 (2)功能退化，如達(dá)不到原設(shè)計(jì)指標(biāo) (3)嚴(yán)重的損傷不能保證可靠性和安全性。根據(jù)失效的表現(xiàn)形式，需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 通常可將實(shí)際中發(fā)生的各種失效現(xiàn)象分為三大類 :斷裂、表面損傷和過量變形。 1. 3. 1. 根據(jù)零件斷裂前的變形不同，可將斷裂分為塑性斷裂和脆性斷裂兩類。脆性斷裂包括疲勞斷 裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、氫脆和靜載延遲斷裂等，但疲勞斷裂和靜載延遲斷裂與一般斷裂又不盡相同，因此可將疲勞斷裂和靜載延遲斷裂從脆性斷裂中獨(dú)立出來。這樣，斷裂失效可分為四種類型 : 性斷裂失效是指斷裂前宏觀上經(jīng)過明顯塑性變形的斷裂。 性斷裂失效是指斷裂前宏觀上沒有明顯變形的斷裂。 勞斷裂失效是指零件在交變載荷作用下產(chǎn)生的斷裂。在斷裂失效中，疲勞斷裂占有很大的比重。根據(jù)載荷、變形的不同，勞斷裂可分為高周疲勞斷裂、低周疲勞斷裂、沖擊疲 勞斷裂等類型。凸輪軸的斷裂從宏觀斷口初步分析即屬于此類斷裂。 如腐蝕、溫度、幅照等 )的聯(lián)合作用下而引起與時(shí)間有關(guān)的斷裂失效如應(yīng)力腐蝕、氫脆、蠕變斷裂等。 1. 零件的表面損傷失效可由腐蝕和磨損而引起。腐蝕是指零件表面在周圍介質(zhì)作用下山于化學(xué)變化、電化學(xué)變化或物理溶解而引起的破壞。磨損、是指零件表面在互相接觸的狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)因摩擦等因素引起的金屬小顆粒逐漸從表面脫落的一種破壞現(xiàn)象。軸凸輪表面的失效模式即為磨損失效，但不 作為本課題研究的內(nèi)容。 1. 3. 1. 過量變形失效是指零件在載荷作用下其尺寸和形狀的變化超過了所允許的范圍從而導(dǎo)致零件不能完成預(yù)定的功能或妨礙了其他零件的正常運(yùn)行。過量變形失效分為由于零件的剛度不足或因溫度升高而引起彈性模量降低而造成的彈性變形失效和由于外加應(yīng)力超過零件的屈服極限而造成的塑性變形失效兩種。 1. 3. 斷裂是工程構(gòu)件最危險(xiǎn)的失效方式。斷裂不僅能造成重大經(jīng)濟(jì)損失而且往往導(dǎo)致機(jī)毀人亡的災(zāi)難性后果。特別是航空、航天、原子能、汽 車和拖拉機(jī)、動(dòng)力機(jī)械和化工機(jī)械等，由斷裂造成的事故屢見不鮮。例如 :1973年英國德貝夏馬坎需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 山煤礦由于剎車桿疲勞斷裂造成豎井罐籠墜毀失事，死亡 18人川。 1967 年美國西弗吉尼亞一橋梁由于一拉桿孔邊緣由于應(yīng)力腐蝕、疲勞或腐蝕疲勞形成裂紋造成的脆性斷裂失事，死亡 46 人 0 1982 年美國標(biāo)準(zhǔn)局估計(jì)，斷裂失效在美國每年能造成 1190 億美元的損失。其中很大一部分?jǐn)嗔芽梢酝ㄟ^現(xiàn)代防斷裂技術(shù)的應(yīng)用加以防止，從而可挽回超過 600億美元的損失 ,我國每年因斷裂造成的損失也十分巨大，僅就大型電站鍋爐的過熱器、省煤器 、水冷壁和再熱器管的爆漏一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，四管的爆漏導(dǎo)致大型火電機(jī)組的停用約占非計(jì)劃停用時(shí)間的40%，占鍋爐設(shè)備非計(jì)劃停用時(shí)間的 70%。因此，對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行失效分析，研究斷裂的規(guī)律和機(jī)理，減少和避免斷裂的發(fā)生，一直是工程技術(shù)人員努力的目標(biāo)。正因?yàn)槿绱?，本課題對(duì)凸輪軸進(jìn)行斷裂失效分析，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 1. 3. 由于機(jī)器零件的失效嚴(yán)重危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，迫使人們不得不開展對(duì)各種失效過程進(jìn)行分析研究，以求弄清失效的本質(zhì)、產(chǎn)生的原因以及預(yù)防的措施。本課題對(duì)軸失效分 析的核心是找出引起其失效的原因與對(duì)策。 1. 3. 3. 1 失效分析的程序及步驟 任何失效分析原則上都可以分為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室分析研究和失效的事后處理三個(gè)階段 H。失效分析的基本程序框圖如圖 1 該階段的主要目的是了解失效的過程，收集斷口，通過宏觀分析或殘骸拼湊分析等，初步確定或判斷首先斷裂的主斷口、斷口的性質(zhì)和失效的類型等。并收集與失效有關(guān)的背景資料 :如有關(guān)的說明書、圖紙、零件的加工工藝、服役歷史以及操作記錄等，以備綜合分析時(shí)參考。 實(shí)驗(yàn)室分析研究的目的 是為確定斷裂的性質(zhì)、失效的類型、引起失效的原因提供充分的證據(jù)。根據(jù)凸輪軸的斷裂情況，實(shí)驗(yàn)室研究主要包含以下內(nèi)容 : (1)用肉眼或借助放大倍數(shù)約 10倍的放大鏡進(jìn)行。通過宏觀斷 口分析，進(jìn)一步確定主斷口，判斷斷口的性質(zhì)，尋找裂紋源等，為其它分析作準(zhǔn)備。 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 (2)用以進(jìn)行裂紋分析和材料的組織分析，確定引起凸輪軸斷裂失效的內(nèi)部原因。 (3)化學(xué)分析 :確定斷裂凸輪軸的實(shí)際化學(xué)成分是否合格。 (4)機(jī)械性能分析 :用以測(cè)定斷裂齒輪軸的實(shí)際機(jī)械性能是否符合設(shè)計(jì)要求。 (5)掃描電鏡分析 :用以確定斷口的微觀斷裂機(jī)制。 (6)應(yīng)力分析 :采用理論計(jì)算確定 齒輪 軸所受應(yīng)力的大小，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。 對(duì)實(shí)驗(yàn)得出的各種結(jié)果，進(jìn)行最后的綜合分析，將設(shè)計(jì)、材料與工藝相結(jié)合， 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與材料強(qiáng)度相結(jié)合，宏觀與微觀相結(jié)合，試驗(yàn)室規(guī)律性試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合。對(duì)于重大的失效分析，還要進(jìn)行模擬試驗(yàn)或臺(tái)架試驗(yàn)，以證實(shí)分析結(jié)果是否正確。本課題限于時(shí)間，不再進(jìn)行模擬試驗(yàn)。 本階段主要是對(duì)失效分析的過程、失效原因和預(yù)防措施進(jìn)行總結(jié)，提出失效分析報(bào)告。 1. 3. 3. 在失效分析中，零件失效與引起失效的原因之間可以用很多種方法聯(lián)系起來，對(duì)于各種原因之間有一定的邏輯關(guān)系或各種原因之間需用定量關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可采用故障樹法 ;若各種原因之間沒有一定的邏輯關(guān)系則可采用故障樹的演變產(chǎn)物 所謂“特征”，是指失效或異?，F(xiàn)象，“要因”是指引起失效或故障的因素及原因?！疤卣鳌庇弥鳁U箭頭表示，“要因”用分支箭頭表示，就構(gòu)成了特征要因圖或失效魚骨圖。特征要因圖與故障樹法相比，其優(yōu)點(diǎn)是不用考慮各因素之間的邏輯關(guān) 系，因而繪制起來比較靈活。在國外，尤其是日本，特征要因圖廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量管理和失效分析中。近幾年來，在我國也得到了廣泛的應(yīng)用。 本課題研究中采用失效分析魚骨圖即特征要因圖的方法。對(duì)凸輪軸的斷裂原因的分析主要從以下幾方面考慮 :原材料、設(shè)計(jì)、冷熱加工工藝、裝配及使用等。具體的失效分析的魚骨圖如圖 1據(jù)測(cè)試分析結(jié)果，消去不存在因素，留下來的因素即為凸輪軸斷裂失效的原因。 柴油機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。 2. 齒輪 軸斷裂屬于機(jī) 械失效。機(jī)械失效分析方法擬采用特征要因圖法。失效分析可通過調(diào)查研究、實(shí)驗(yàn)室分析和事后處理三個(gè)階段進(jìn)行。 圖 1失效分析基本程序圖 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 圖 1輪軸斷裂失效分析魚骨圖 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 第二章 齒輪 軸 本章著重介紹分析凸輪軸的原始條件、服役工況及加工過程。 2. 1. 齒輪 軸的結(jié)構(gòu)及工況 圖 2結(jié)構(gòu)示意圖 2. 1. 1. 齒輪 軸的結(jié)構(gòu) 如第一章圖 1示，齒輪軸位于泵體的下部，由兩個(gè)圓錐滾子軸承支承，其前端與提前器相連，后端與調(diào)速器相連，齒輪軸兩端為帶半圓 中與提前器的內(nèi)錐面貼合的通常稱為驅(qū)動(dòng)端，驅(qū)動(dòng)端通過提前器與聯(lián)軸器等部件與柴油機(jī)連接。另一端通過錐面與調(diào)速器相聯(lián)，稱為調(diào)速端。齒輪軸的結(jié)構(gòu)及外形。 2. 1. 2. 齒輪 軸的工況 齒輪軸通過提前器、聯(lián)軸器等部件與柴油機(jī)相連。由柴油機(jī)及油泵的結(jié)構(gòu)可知，柴油機(jī)的動(dòng)力是通過聯(lián)軸器、提前器等部件傳遞給油泵凸輪軸的，具體過程為 :柴油機(jī)的動(dòng)力通過齒輪傳動(dòng)把動(dòng)力傳遞給聯(lián)軸器，聯(lián)軸器把動(dòng)力傳遞給提前器，由提前器再把動(dòng)力傳遞給凸輪軸的驅(qū)動(dòng)端，提前器與軸間的扭矩傳遞是靠凸輪軸與提前器的錐面貼合產(chǎn)生的摩擦力來完成的，摩擦正壓力靠凸輪軸頂端的螺帽擰緊產(chǎn)生。因此在軸的驅(qū)動(dòng)端要受到扭矩的作用，同時(shí)柴油機(jī)的扭矩是通過齒輪傳遞過來的，齒輪會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力，所以凸輪軸還會(huì)受到由于側(cè)向力而產(chǎn)生的彎矩的作用。而凸輪軸的調(diào)速端則主要是帶動(dòng)調(diào)速器工作，因此受力很小。凸輪軸需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 在兩個(gè)支承點(diǎn)之間除了受到驅(qū)動(dòng)力矩的作用之外，齒輪軸還不斷循環(huán)往復(fù)地受到泵端壓力、柱塞彈簧力和 慣性力的作用，因此整根齒輪軸在兩個(gè)支承點(diǎn)之間除了受到扭轉(zhuǎn)力矩的作用外，還受到彎曲力矩的作用。 2. 2. 齒輪 軸的技術(shù)條件 2. 2. 1 冷加工主要技術(shù)要求 了保證有足夠的接觸面積來傳遞扭矩，因此工藝要求磨削加工結(jié)束后，兩個(gè)錐面的貼合面積不得小于 800 鍵槽缺口處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，為了有效地降低應(yīng)力集中的敏感性及應(yīng)力集中系數(shù)，提高錐體部位的強(qiáng)度，工藝要求半圓鍵槽的根部有 . 4 士 a. 滑過渡。 2. 2. 2。熱處理技術(shù)要求 2. 2. 2. 由前面齒輪軸的服役工況可知，軸的凸輪部位與錐體部位受力不同，因此熱處理后有不同的硬度要求。凸輪部位要求有很高耐磨性，所以該部位要求有很高的硬度，而在錐體部位則要承受循環(huán)扭矩和彎矩的作用，因此該部位要求有很好的強(qiáng)韌性結(jié)合，所以要求中硬度。為了滿足同一零件不同部位的多種硬度要求，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，常選用低碳鋼通過表面處理來達(dá)到要求，凸輪軸即如此材料為20，具體的化學(xué)成分滿足 輪軸用 20能很好地滿足冷加工工藝性、 熱處理工藝性、熱處理后要達(dá)的性能要求。這是因?yàn)?200鋼的基礎(chǔ)上，為了提高其性能，加入 0. 700的 成。 20工藝性能優(yōu)良，鍛造正火后具有良好的切削加工性，下火后的硬度為 (156削性能較好，表面光潔度高。由于鉻的加入，提高了鋼的淬透性，而且鉻又是強(qiáng)化鐵素體的元素，溶于鐵素體中亦可起強(qiáng)化作用，因此提高了凸輪軸滲碳后的心部強(qiáng)度。由于淬透性提高，在淬火時(shí)即可采用較緩和的冷卻劑冷卻 (冷卻介質(zhì)為硝 )，從而還可以減小齒輪軸的淬火變形。鉻與碳的親和力較大，又能促使?jié)B碳層 表面含碳量趨于飽和，增加碳濃度梯度，使?jié)B碳速度增加，從而使齒輪軸在滲碳和淬火后具有較高的硬度和較好的耐磨性。正是由于碳和鉻的親和力較大，這種鋼在滲碳層中易在齒輪軸的表面形成網(wǎng)狀碳化物，故滲碳時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 滲碳爐內(nèi)的氣氛碳勢(shì)。 20雖然是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，但在滲碳溫度下長期加熱滲碳 ,晶粒也會(huì)顯著長大，故齒輪軸滲碳后不能直接淬火。為了克服滲碳帶來的各種缺陷，細(xì)化晶粒，進(jìn)一步提高心部的強(qiáng)度及韌性，為后續(xù)熱處理做組織準(zhǔn)備，因此在滲碳后要進(jìn)行正火。然后再重新加熱淬火。 齒輪軸的整個(gè)熱 處理過程為 : 齒輪軸先滲碳，滲碳后正火，正火后再淬火回火，然后再對(duì)軸的錐體進(jìn)行高頻退火。滲碳的目的是通過增加軸表面的碳含量，使齒輪軸在隨后的淬火處理后獲得很高的表面硬度及耐磨性，滿足齒輪表面的技術(shù)要求。而在軸的心部仍舊保持了 20原始的低碳含量，使齒輪軸的心部在淬火處理后仍具有很高的韌性。滲碳后加一道正火工序是為了消除滲碳后形成的網(wǎng)狀碳化物等組織缺陷，細(xì)化晶粒，進(jìn)一步提高心部的強(qiáng)韌性，為淬火作組織儲(chǔ)備。軸淬火的目的是為了提高表面的硬度、強(qiáng)度、耐磨性，獲得合適的組織結(jié)構(gòu)。軸淬火后，雖然具有很高的硬度，但也 帶來很大的淬火應(yīng)力，齒輪軸表面淬火后形成的高碳針狀馬氏體還具有很高的脆性，因此不能直接使用，所以必須通過回火來消除淬火應(yīng)力，適當(dāng)?shù)臏p低強(qiáng)度，減少脆性，提高韌性，同時(shí)還可提高尺寸穩(wěn)定性，這樣齒輪表面在滲碳淬火后就可以得到很高的硬度和很高的耐磨性來滿足齒輪部位的技術(shù)要求。而錐體部位在高頻退火后就可以把滲碳淬火后的高硬度降下來，達(dá)到中硬度的要求。熱處理各工序的工藝參數(shù)分別如圖 2. 2. 2. 余屬的硬度反映了金屬抗侵入能力，它不僅與材料的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度存在近似的經(jīng)驗(yàn) 關(guān)系，還與冷成型性、切削性等工藝性能存在某些聯(lián)系，因此硬度對(duì)于控制材料的冷熱加工質(zhì)量有一定的參考意義 y。在熱處理生產(chǎn)過程中常把硬度作為檢驗(yàn)熱處理質(zhì)量的指標(biāo)之一，同時(shí)硬度檢測(cè)還具有快速直觀準(zhǔn)確的特點(diǎn)，因此軸也可采用硬度法來檢驗(yàn)其熱處理質(zhì)量。 由軸的工作原理可知 :軸的齒輪在工作時(shí)要不斷交替推動(dòng)滾輪仁升，因此齒輪表面在工作時(shí)就要不斷受到滾輪循環(huán)接觸應(yīng)力的作用。因滾輪是采用軸承鋼材料經(jīng)熱處理淬火制成的，具有很高的硬度，為了保證與滾輪接觸的齒輪表面有足夠的硬度和接觸疲勞強(qiáng)度，防止早期剝落和磨損而影響軸的正常工作 ，所以齒輪需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 表面要求有很高的硬度和耐磨性，因此齒輪表面熱處理后的硬度要求大于6018軸的工況分析，我們知道到軸兩端的錐體部位主要受到扭矩和彎矩的作用，但在汽車工況突變還會(huì)受到一定的沖擊載荷的作用，因此軸的錐體部位要求有很好的韌性，但是若過分強(qiáng)調(diào)塑韌性而忽略強(qiáng)度硬度要求，就有可能導(dǎo)致強(qiáng)度及多沖抗力不足，所以錐體部位熱處理后的硬度要求處于中硬度范圍，要求為30般的工程結(jié)構(gòu)材料處于該硬度范圍時(shí)具有很好的強(qiáng)韌性。 對(duì)于進(jìn)行滲碳處理的 零部件其滲碳層的深度會(huì)直接影響到它的使用性能，尤其是對(duì)于軸等受扭轉(zhuǎn)或彎曲載荷作用的零件，表面應(yīng)力最大，應(yīng)力沿半徑向心部逐漸減弱。為了使零件能持續(xù)工作，要求零件滲層深度能使傳遞到心部的應(yīng)力低于心部強(qiáng)度，若應(yīng)力大于材料的屈服極限，將會(huì)產(chǎn)生塑性變形。卸載后滲層彈性變形恢復(fù)，而心部卻不能恢復(fù)，在交變載荷的循環(huán)作用下，滲層與心部的交界處就會(huì)產(chǎn)生裂紋，并逐步擴(kuò)展，所以對(duì)于心部強(qiáng)度較低的鋼，采用增加滲層厚度的辦法可顯著提高疲勞強(qiáng)度。但滲層深度不可過深，因?yàn)闈B層深度的增加往往伴隨表面碳濃度的提高，致使大塊碳化物及殘余奧氏體 量增加，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性反而降低?？梢姼鶕?jù)零件的使用要求，選擇合適的滲碳層深度是必要的。 日常設(shè)計(jì)零件的滲碳層深度時(shí)，大都采用經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法。美國金屬學(xué)會(huì) (薦可根據(jù)載荷的大小選擇滲碳層深度，其參考值如表 3示 ! 齒輪軸滲碳層深度的選擇既考慮了載荷因素，又兼顧了多年的生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。由于齒輪軸受交變負(fù)荷的作用，所受的力是交變彎扭復(fù)合應(yīng)力，所以要求齒輪軸具有很高的疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性。齒輪軸的材料是 20，熱處理淬火時(shí)以硝鹽作為冷卻介質(zhì)，淬火后心部強(qiáng)度不高，為了獲得高的疲勞強(qiáng)度及沖擊 韌性，就要求有足夠的滲碳層深度。凸輪軸表面滲碳后滲碳層的深度要求為 1. 2. 9 2按照載荷的大小選擇滲碳硬化層深度 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 相組織 齒輪軸是滲碳淬火件，為了保持齒輪表面滲碳后較高的疲勞強(qiáng)度和耐磨性 ,同時(shí)心部能保持足夠的強(qiáng)度和韌性，對(duì)滲層中的碳化物的形態(tài)、分布和大小，殘余奧氏體含量及心部的組織都有嚴(yán)格的要求。技術(shù)條件要求表面不允許出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物及大量的殘余奧氏體，心部不能出現(xiàn)大量的未溶鐵素體、上貝氏體及魏氏組織等異常組織。 加工過程 由于齒輪軸的形狀復(fù)雜，為了提高材料的利用率，采用棒料鍛造成型或熱擠成型，成型后正火，熱處理正火的目的是為了消除由于鍛造造成的各種缺陷，均勻和細(xì)化鍛造組織，消除鍛造應(yīng)力，保持一定的硬度范圍，得到良好的切削加工性能和高的表面光潔度。正火后進(jìn)行粗加工，粗加工結(jié)束后再進(jìn)行熱處理滲碳。由于長時(shí)間的滲碳常在零件表面產(chǎn)生各種缺陷如表面網(wǎng)狀碳化物和較大的變形，所以滲碳后還須進(jìn)行一次正火和校直，正火后重新加熱淬火。又由于齒輪軸是細(xì)長零件淬火后也會(huì)產(chǎn)生較大的變形，因此還需要進(jìn)行校直，校直后再進(jìn)行回火，回火結(jié)束后再對(duì) 兩端錐體部位進(jìn)行高頻退火，至此熱處理工序全部結(jié)束，然后轉(zhuǎn)入磨削加工，直到磨成成品。整個(gè)加工流程如圖 2 圖 2齒輪軸的加工流程圖 位于泵體的下端，由兩個(gè)軸承支承，軸上有 1個(gè)凸輪和 1 個(gè)偏心輪，兩端為帶有鍵槽的錐體 (錐度為 1: 5)，其驅(qū)動(dòng)端與提前器相連，調(diào)速端與調(diào)速器相連。 力最大 :調(diào)速端受力很小，而在兩支承點(diǎn)之間除了受到扭矩的作用外，還要受到泵端壓力、柱塞彈簧力和慣性力的作用。 0成型，熱處理工藝采用滲碳淬火處理。 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 第三章應(yīng)力分析 應(yīng)力分析是根據(jù)零件的大小、形狀以及載荷等因素，采用理論應(yīng)力計(jì)算或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證的方法確定條件中的應(yīng)力大小，從強(qiáng)度方面分析失效的原因及提出預(yù)防措施 由于齒輪軸斷裂的部位都位于錐柱面交界的錐體處，因此本課題主要對(duì)錐體部位進(jìn)行強(qiáng)度校核。 由齒輪軸的結(jié)構(gòu)及工況可知 : 齒輪軸工作時(shí)，要不斷推動(dòng)滾輪上升，滾輪再推動(dòng)柱塞上升，齒輪軸所受的載荷由泵端壓力通過柱塞產(chǎn)生的作用力 性力塞彈 簧力 力為 P。合力 如前所述，錐體部分除了受到柴油機(jī)傳遞過來的驅(qū)動(dòng)扭矩 M，的作用之外，還要受到柴油機(jī)齒輪的側(cè)向分力而產(chǎn)生的彎矩的作用。設(shè)側(cè)向力為 ,力最大，也是斷裂部位所在端。所以，下面只對(duì)驅(qū)動(dòng)端進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 從前面的敘述可知，驅(qū)動(dòng)扭矩的循環(huán)特征值 R0;最小應(yīng)力很小，可忽略不計(jì)。本文按 R=0計(jì)算，即把驅(qū)動(dòng)扭矩變化按脈動(dòng)循環(huán)處理。 輪 軸扭矩計(jì)算 算工況 取滾輪與齒輪在切線終點(diǎn)處的接觸點(diǎn)為 計(jì)算位置，因?yàn)檫@一位置接近于最大泵端壓力出現(xiàn)的位置，并且這一位置角。為最大，因此齒輪軸此時(shí)受力最大。 本課題所計(jì)算得齒輪軸：齒輪升程為 11 則 a+b=60,b=25 所以 a=35 輪軸受力分析 齒輪軸的受力簡(jiǎn)圖如圖 3要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 圖 3齒輪軸受力簡(jiǎn)圖 如圖所示，可得： ： Y=0，得： P=b Z=0,得： ,得 : 1*S 1= 式中： P 垂直外力總和 S=（ R+r+h） *h=要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 P，十 中 :塞作用力 端壓力 p。作用在直徑為 端壓力 p=600塞 直徑 d=9. 5故 PN= =4249. 07N 9. 8 X 10塞彈簧作用力 彈簧剛度為 K K =3. 67 X 9. 8 N/計(jì)算位置處彈簧的壓縮量為7. 3 K 5N 性力 油泵轉(zhuǎn)速， 1500的加速度進(jìn)行計(jì)算 p=W a/g 式中 : 計(jì)算可得 : 10. 3N 則 P= z+入式 (4 : (4得 1(R+r+h)a =98. 9Nm 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 由受力簡(jiǎn)圖可知，山于側(cè)向力 F，凸輪軸的驅(qū)動(dòng)端還受到彎矩的作用。 向力 計(jì)算 柴油機(jī)齒輪傳遞給油泵凸輪軸的扭矩就是凸輪軸的驅(qū)動(dòng)扭矩 以 齒輪的側(cè)向嚙合力 : a 式中 a 為齒輪的半徑， a=105算可得 41. 9N 矩的計(jì)算 齒輪嚙合力 至齒輪軸軸線上的側(cè)向力，使凸輪軸產(chǎn)生彎曲，驅(qū)動(dòng)端截面上的彎矩為 : Z. x 式中 :、一為齒輪中心到所計(jì)算截面的距離 ,從上式可以看出，當(dāng) F:不變時(shí)，彎矩 M，隨著 x 而增加。齒輪軸的錐體部位在圓 錐面與圓柱面交界處 x 最大，在該截面上受到的彎矩最大。計(jì)算中心截面離齒輪中 心的距離 x=280此，計(jì)算可得，該截面所受的彎 矩 m 在計(jì)算過程中假設(shè)齒輪軸工作時(shí)提前器內(nèi)錐面與齒輪軸錐面處于全面貼合壓緊狀態(tài)，即齒輪軸承受的力矩是在整個(gè)錐面范圍內(nèi)通過摩擦力 為了計(jì)算方便，如圖 3錐體置于直角坐標(biāo)系中，坐標(biāo)系原點(diǎn)在錐角頂點(diǎn)，錐臺(tái)小端半徑即齒輪軸錐體小端半徑為 . 6橫坐標(biāo)為 x,，錐臺(tái)大端半徑即齒輪軸錐體大端為 10. 0坐標(biāo)為 槽垂直于母線方向的最大深度為 9. 9槽的寬度 要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 圖 3錐臺(tái)坐標(biāo)系 首先計(jì)算錐體段截面上驅(qū)動(dòng)端的扭矩。 設(shè)單位面積上的摩擦力為 f，則摩擦力矩元 :R, 整個(gè)錐面的積 分即為，急摩擦力矩 要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 由式 (4得 :在理想貼合狀態(tài)下，錐體截曲上最大應(yīng)力 T。、隨半徑 在錐柱面交界受到的應(yīng)力最大。 由此可計(jì)算 : =10. 0 二時(shí)，即在凸輪軸錐柱面交界處，此處的抗扭截面模量為 : 槽部位的抗扭截面模量應(yīng)為 : 在鍵槽最 深處，錐體截面的承載面積最小度 t=4. 94算得 : T 9. 9/以上兩個(gè)不同位置的應(yīng)力計(jì)算可以看出 ,凸輪軸在錐體上端錐柱面交接處所受的切應(yīng)力最大。 大正應(yīng)力的計(jì)算 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 槽部位的抗彎截面模量應(yīng)為 : 從上面的計(jì)算可以看出，凸輪軸錐體上在錐柱面交界處受到的應(yīng)力最大，即危險(xiǎn)截面在錐柱面交界處，這也就說明了斷裂為什么主要都發(fā)生在錐柱面交界附近。 應(yīng)力計(jì)算 計(jì)算危險(xiǎn)截面即 錐柱面交界處的主應(yīng)力，由上己知 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 上面計(jì)算表明主應(yīng)力沿彎曲正應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)一 說明斷口為什么沿橫斷面偏轉(zhuǎn)了個(gè)小角度。 通過應(yīng)力分析計(jì)算，己找出了危險(xiǎn)截面在齒輪軸驅(qū)動(dòng)端錐柱面交界處。以下校核它的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。通過上述對(duì)齒輪軸工況的簡(jiǎn)化，即假設(shè)齒輪軸所受的扭矩為脈動(dòng)循環(huán)，根據(jù)材料力學(xué)疲勞強(qiáng)度計(jì)算理論及凸輪軸本身受力情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工水平等因素，安全系數(shù)校核公式為 14: 通過查閱有關(guān)手冊(cè)可得 :對(duì)于齒輪軸經(jīng)滲碳淬火回 火狀態(tài)下的各項(xiàng)參數(shù)為 需要購買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 鍵槽截面校核 對(duì)于齒輪軸在設(shè)計(jì)時(shí)一般取安全系數(shù)為 n