1、机械毕业设计452齿轮油泵轴的失效分析及优化设计课题名称 齿轮油泵轴的失效分析及优化设计 专业名称 机械制造及其自动化 学生姓名 专业班级 学生学号 指导老师 摘 要随着汽车工业的蓬勃发展，对汽车及其零部件的安全可靠性要求也就不断发展提高，作为汽车发动机的心脏部件油泵，一旦.出现故障，轻则造成汽车抛锚，重则造成车毁人亡，给人类的生命财产带来严重的危害。而齿轮油泵轴的断裂又是油泵最容易失效的方式之一。近几年来，随着油泵凸端喷射压力不断提高，轴断裂现象更为频繁发生，占不仅给油泵生产厂商带来巨大的经济损失，还严重地损害了油泵生产厂商的社会信誉。因此尽快找出轴断裂的原因并提出相应的改进措施迫在眉睫，具
2、有重要的经济效益及社会效应。本课题就是分析研究齿轮油泵轴断裂失效的原因并提出了对策。本文运用失效分析程序图及失效分析鱼骨图的方法，从原材料、加工工艺过程和设计强度等角度出发，对齿轮油泵轴的疲劳断裂失效原因首次进行了详细地剖析并提出了一些相应的改进措施。通过宏观和微观断口分析，确定凸轮轴的断裂性质为旋转弯曲扭转复合疲劳断裂。冷加工过程中键槽部位的加工尖角和热处理过程中在键槽表面渗层中产生的网状碳化物直接导致了疲劳裂纹的萌生;由于锥体部位的加工精度太差致使凸轮轴与提前器两锥面贴合面积小于技术要求，导致由锥面贴合产生的摩擦力不能满足传递扭矩的要求，使两锥面产生相对运动，致使键槽受力，从而加剧了己在键
3、槽尖角处萌生的微裂纹扩展。应力计算表明，轴锥体键槽上方处所受的应力较大，再加上冷热加工缺陷在键槽处引起的应力集中，所以锥体键槽上方处最容易萌生疲劳裂纹并快速扩展。这也就是疲劳断裂主要发生于该部位的原因。热处理淬火工艺不当，心部组织中出现大量的未溶铁素体，羽毛状上贝氏体和魏氏组织等异常组织，也会使凸轮轴的疲劳强度及心部韧性急剧下降，促使疲劳裂纹快速扩展，最终导致凸轮轴两种类型的断裂。针对上述失效原因，提出了以下改进措施:(1)在结构允许的条件下，尽可能加大键槽底部的圆角过渡(2)提高冷加工质量，增加锥面贴合面积及表面光洁度(3)改进热处理工艺，提高热处理质量。通过理论分析及反复试验采用锥体表面涂
4、防渗碳剂新工艺代替原有工艺即锥体高频退火，取得了令人满意的效果，轴采用新工艺热处理半年多来，至今未发现轴断裂现象的发生。关键词:轴，表面涂防,断裂分析，网状碳化物，疲劳强度，第1章 绪论-111.1油泵的发展历史及国内外现状-121.2油泵系统-121.2.1油泵的作用-121.2.2油泵的组成及工作原理-121.3机械失效模式及分析-141.3.1机械失效模式-141.3.2机械断裂失效的危害性-151.3.3失效分析的步骤及方法-161.4小结-17第2章 轴-192.1轴的结构及工况-192.1.1 凸轮轴的结构-192.1.2 凸轮轴的工况-202.2轴的技术条件-202.2.1 冷加
5、工主要技术要求-212.2.2 热处理技术要求-21 2.3轴的加工过程-24 2.4小结-25第3章 应力分析-253.1强度校核原始条件-253.2轴扭矩计算-253.2.1 计算工况-253.2.2 凸轮轴受力分析-26 3.2.3 外载荷与惯性力Pj计算-273.3弯矩的计算-283.3.1 侧向力F2的计算-283.3.2 弯矩的计算-283.4危险截面应力的计算-283.4.1 最大切相力计算-293.4.2 最大正应力的计算-313.4.3 主应力计算-313.5安全系数校核-323.5.1 锥柱面交接截面校核-333.5.2 键槽截面校核-343.6小结-34第4章 综合分析-
6、344.1断裂性质分析-354.2断裂原因综合分析-364.2.1 疲劳源产生的因素-364.2.2 疲劳裂纹扩展原因分析-394.3小结-45第5章 改进措施-465.1设计改进-465.1.1提高强度储备-465.1.2优化结构设计-465.2提高冷加工质量-485.2.1 提高表面光洁度-485.2.2 提高锥面的加工精度-495.3材料选用改进-495.4改进热处理工艺-505.4.1 工艺改进设想-505.4.2 试验方法-505.4.3 试验结果-525.4.4小结-58设计心得-58结束语-59参考文献-59第一章 绪论1. 1.油泵的发展历史及国内外现状 1892年狄赛尔发明了
7、柴油机，一个世纪以来，经过几代人的努力，柴油机已经发展成为一个庞大的家族。在今天的世界上，凡是有人类活动的地方都有柴油机在运转。柴油机的心脏就是燃油喷射装置1，即通常所说的油泵油嘴。柴油机用燃油装置源于1893年鲁道夫.狄赛尔发明的煤粉喷射装置。开始时试用煤粉作燃料，其后改用石油燃料。1910年英国维克尔斯(Vickers)公司的佳姆斯.麦克辛(James Mckechnie)发明无气喷射装置. 1922年德国Bosch公司开始研制柴油喷射装置，1927年开始成批生产，并不断发展建立了完整的产品体系，成为世界上历史最悠久，规模最大的油泵油嘴生产集团。 随后日本杰克赛尔公司和电装公司，多次从德国
8、Bosch公司购买油泵油嘴制造技术，消化吸收并不断创新，逐步建立起自身的产品体系，成为世界上最大的油泵油嘴生产集团之一。 近几年来从柴油机的发展品种来说，大中型柴油机都转向以经济性良好的直喷式为主流。与非直喷式柴油机相比，直喷式柴油机的燃烧室大，所以，喷射压力要求高。另一方面，为了改善喷雾质量，喷油压力也有进一步提高的趋势。现在许多国外厂家正在致力于开发能承受更高喷油压力的喷油泵和高压共轨燃油喷射装置。 为了获得更好的燃油经济性、操纵性和乘坐舒适性，柴油机对燃油喷射装置提出了更高的要求。为此，人们正在研究引入电控喷油泵。80年代出现了电子控制喷油装置的柴油机。 我国的内燃机工业起步较世界上其他
9、先进国家晚得多。1908年广州均和安机器厂制造出的8HP单卧式煤气机为我国第一台内燃机，1915年广州协同和机器厂制造出我国第一台柴油机2。在1949年以前我国的内燃机发展缓慢，没有形成一个完整的生产体系。经过50多年的建设，内燃机行业迅速发展，柴油机制造厂遍布全国，产品应用到汽车、拖拉机、工程机械、船舶等各行各业。油泵油嘴相应地得到了迅速的发展，主要的专业生产企业有100多家以上，组成了一个行业。其中威孚集团公司就是国内生产规模最大，生产品种最齐全的专业生产厂。1. 2.油泵系统 油泵系统通常由油泵、喷油器和高压油管组成。1.2.1.油泵的作用 油泵的作用是根据柴油机的工况，将适量的燃油在适
10、当的时间内以适当的形式喷入燃烧室，形成适合于燃烧的混合气，满足柴油机的性能要求。油泵的作用可以概括为:(1)调节喷油量:根据发动机的输出功率将适量的燃油稳定地喷入各气缸;(2)调节喷油始点:根据转速、负荷控制喷油始点，保证得到完善的燃烧;(3)形成喷雾:使燃油雾化，且均匀分布到燃烧室空间。它们决定着柴油机的性能，对柴油机的动力性、经济性、排放、噪声及可靠性、耐久性等都有重要影响。1.2.2.油泵的组成及工作原理 油泵的基本工作原理及过程为:首先输油泵从油箱中吸取燃油，经燃油滤清器送入喷油泵的进油腔，进入油腔后的油通过进油孔被吸入杜塞腔，由齿轮轴推动柱塞上升，压缩柱塞腔中的燃油使出油阀开启，将燃
11、油压入高压油管，柱塞的上升速度很快，所以油的压力很快上升，压力以音速从油泵端传向喷油嘴。喷油嘴是个自动阀针阀被调压弹簧的预紧力压紧在座面上，当压力上升到大于调压弹簧的预紧力时针阀开启，开始喷油1。油泵是油泵系统的重要组成部分，而凸轮轴是油泵的关键部件。 油泵系统除了为柴油机提供燃油之外，它还为保证汽车能正常运行而进行喷油量调节。喷油量的调节由调速器控制口安装调速器则是由柴油机工作的稳定性要求所决定的。 柴油机为了能稳定地运转，它的扭矩必须具有图1-1所示的扭矩特性，随着转速上升扭矩减小，柴油机在外界负荷阻力扭矩特性和自身输出扭矩特性相交的转速点平衡，即两者相等，柴油机处于稳定平衡状态。在平衡状
12、态下，如果受到某种干扰，则: (1)若负荷减小，转速上升，则柴油机的输出扭矩减小，结果外界负荷的阻力扭矩大于柴油机的扭矩，柴油机就会降速，向稳定转速恢复，回复到平衡位置。 (2)若负荷增加，转速下降，则柴油机的输出扭矩增大，柴油机的转速就会上升，重新回复到平衡位置。 综上所述，无论受到什么样的干扰，总有一种回复到平衡位置的作用力存在，这种力就是通过油泵改变每个循环的喷油量来实现的。其过程是:柴油机通过提前器等部件把扭矩传递给油泵凸轮轴，带动凸轮轴转动，凸轮轴转动时通过挺柱体推动柱塞上升，通过改变柱塞斜槽的位置调节喷油量。图1-1 发动机的稳定平衡状态 整个油泵的结构如图1-2所示。轴在油泵中位
13、于泵体的下部，由两个圆锥滚子轴承支承，其前端装有一提前器，后端与调速器相连。轴上有若干个凸轮(与发动机汽缸数相同，本课题研究的对象为6个凸轮)，中部还有一个驱动输油泵的偏心轮。凸轮外形采用缓降切线， 故轴不能反转使用。柴油机工作时通过提前器等部件把动力传递给凸轮轴的驱动端，由驱动端带动整个油泵工作，因此轴工作时驱动端受力最大，轴断裂基本上也都发生在驱动端。轴的断裂是机械失效模式的一种，因此有必要对失效分析的一些机理及方法作一介绍。1. 3.机械失效模式及失效分析1. 3. 1，机械失效模式 机械失效就是机械零件在服役过程中丧失其规定的功能不能继续可靠地服役。一般有三种形式:C1)完全丧失功能，
14、如零件的断裂。(2)功能退化，如达不到原设计指标(3)严重的损伤不能保证可靠性和安全性。根据失效的表现形式，通常可将实际中发生的各种失效现象分为三大类:断裂、表面损伤和过量变形。1. 3. 1. 1.断裂失效 根据零件断裂前的变形不同，可将断裂分为塑性断裂和脆性断裂两类。脆性断裂包括疲劳断裂、应力腐蚀断裂、氢脆和静载延迟断裂等，但疲劳断裂和静载延迟断裂与一般断裂又不尽相同，因此可将疲劳断裂和静载延迟断裂从脆性断裂中独立出来。这样，断裂失效可分为四种类型: 1.塑性断裂失效。塑性断裂失效是指断裂前宏观上经过明显塑性变形的断裂。 2.脆性断裂失效。脆性断裂失效是指断裂前宏观上没有明显变形的断裂。
15、3.疲劳断裂失效。疲劳断裂失效是指零件在交变载荷作用下产生的断裂。在断裂失效中，疲劳断裂占有很大的比重。根据载荷、变形的不同，劳断裂可分为高周疲劳断裂、低周疲劳断裂、冲击疲劳断裂等类型。凸轮轴的断裂从宏观断口初步分析即属于此类断裂。4.静载延迟断裂失效静载延迟断裂失效是零件在静载荷和环境(如腐蚀、温度、幅照等)的联合作用下而引起与时间有关的断裂失效如应力腐蚀、氢脆、蠕变断裂等。 1. 3.1 2.表面损伤失效 零件的表面损伤失效可由腐蚀和磨损而引起。腐蚀是指零件表面在周围介质作用下山于化学变化、电化学变化或物理溶解而引起的破坏。磨损、是指零件表面在互相接触的状态下运动因摩擦等因素引起的金属小颗
16、粒逐渐从表面脱落的一种破坏现象。轴凸轮表面的失效模式即为磨损失效，但不作为本课题研究的内容。 1. 3. 1. 3.过量变形失效 过量变形失效是指零件在载荷作用下其尺寸和形状的变化超过了所允许的范围从而导致零件不能完成预定的功能或妨碍了其他零件的正常运行。过量变形失效分为由于零件的刚度不足或因温度升高而引起弹性模量降低而造成的弹性变形失效和由于外加应力超过零件的屈服极限而造成的塑性变形失效两种。1. 3. 2.机械断裂失效的危害性 断裂是工程构件最危险的失效方式。断裂不仅能造成重大经济损失而且往往导致机毁人亡的灾难性后果。特别是航空、航天、原子能、汽车和拖拉机、动力机械和化工机械等，由断裂造成
17、的事故屡见不鲜。例如:1973年英国德贝夏马坎山煤矿由于刹车杆疲劳断裂造成竖井罐笼坠毁失事，死亡18人川。1967年美国西弗吉尼亚一桥梁由于一拉杆孔边缘由于应力腐蚀、疲劳或腐蚀疲劳形成裂纹造成的脆性断裂失事，死亡46人 0 1982年美国标准局估计，断裂失效在美国每年能造成1190亿美元的损失。其中很大一部分断裂可以通过现代防断裂技术的应用加以防止，从而可挽回超过600亿美元的损失,我国每年因断裂造成的损失也十分巨大，仅就大型电站锅炉的过热器、省煤器、水冷壁和再热器管的爆漏一项统计，四管的爆漏导致大型火电机组的停用约占非计划停用时间的40%，占锅炉设备非计划停用时间的70%。因此，对机械零件进
18、行失效分析，研究断裂的规律和机理，减少和避免断裂的发生，一直是工程技术人员努力的目标。正因为如此，本课题对凸轮轴进行断裂失效分析，具有十分重要的经济效益和社会效益。1. 3. 3.失效分析的步骤及方法 由于机器零件的失效严重危及人们的生命财产安全，迫使人们不得不开展对各种失效过程进行分析研究，以求弄清失效的本质、产生的原因以及预防的措施。本课题对轴失效分析的核心是找出引起其失效的原因与对策。1. 3. 3. 1失效分析的程序及步骤 任何失效分析原则上都可以分为现场调查、实验室分析研究和失效的事后处理三个阶段H。失效分析的基本程序框图如图1-3所示。1.调查阶段该阶段的主要目的是了解失效的过程，
19、收集断口，通过宏观分析或残骸拼凑分析等，初步确定或判断首先断裂的主断口、断口的性质和失效的类型等。并收集与失效有关的背景资料:如有关的说明书、图纸、零件的加工工艺、服役历史以及操作记录等，以备综合分析时参考。2.实验室分析研究实验室分析研究的目的是为确定断裂的性质、失效的类型、引起失效的原因提供充分的证据。根据凸轮轴的断裂情况，实验室研究主要包含以下内容: (1).宏观断口分析:用肉眼或借助放大倍数约10倍的放大镜进行。通过宏观断 口分析，进一步确定主断口，判断断口的性质，寻找裂纹源等，为其它分析作准备。 (2).金相检验:用以进行裂纹分析和材料的组织分析，确定引起凸轮轴断裂失效的内部原因。
20、(3)化学分析:确定断裂凸轮轴的实际化学成分是否合格。 (4)机械性能分析:用以测定断裂齿轮轴的实际机械性能是否符合设计要求。 (5)扫描电镜分析:用以确定断口的微观断裂机制。 (6)应力分析:采用理论计算确定齿轮轴所受应力的大小，并进行强度校核。 对实验得出的各种结果，进行最后的综合分析，将设计、材料与工艺相结合，结构强度与材料强度相结合，宏观与微观相结合，试验室规律性试验与生产实际相结合。对于重大的失效分析，还要进行模拟试验或台架试验，以证实分析结果是否正确。本课题限于时间，不再进行模拟试验。3.失效事后处理 本阶段主要是对失效分析的过程、失效原因和预防措施进行总结，提出失效分析报告。 1
21、. 3. 3. 2.失效分析的方法 在失效分析中，零件失效与引起失效的原因之间可以用很多种方法联系起来，对于各种原因之间有一定的逻辑关系或各种原因之间需用定量关系进行评价时，可采用故障树法;若各种原因之间没有一定的逻辑关系则可采用故障树的演变产物-鱼骨图法也称特征要因图法进行。 所谓“特征”，是指失效或异常现象，“要因”是指引起失效或故障的因素及原因。“特征”用主杆箭头表示，“要因”用分支箭头表示，就构成了特征要因图或失效鱼骨图。特征要因图与故障树法相比，其优点是不用考虑各因素之间的逻辑关系，因而绘制起来比较灵活。在国外，尤其是日本，特征要因图广泛应用于产品质量管理和失效分析中。近几年来，在我
22、国也得到了广泛的应用。本课题研究中采用失效分析鱼骨图即特征要因图的方法。对凸轮轴的断裂原因的分析主要从以下几方面考虑:原材料、设计、冷热加工工艺、装配及使用等。具体的失效分析的鱼骨图如图1-4所示。根据测试分析结果，消去不存在因素，留下来的因素即为凸轮轴断裂失效的原因。1.4小结1.油泵中关键零件凸轮轴的早期断裂导致油泵失效，使柴油机无法正常运转，给生产带来严重的经济损失。2. 齿轮轴断裂属于机械失效。机械失效分析方法拟采用特征要因图法。失效分析可通过调查研究、实验室分析和事后处理三个阶段进行。图1-3 失效分析基本程序图 图1-4 齿轮轴断裂失效分析鱼骨图第二章齿轮轴本章着重介绍分析凸轮轴的
23、原始条件、服役工况及加工过程。2. 1. 齿轮轴的结构及工况 图2-1齿轮轴结构示意图2. 1. 1. 齿轮轴的结构 如第一章图1-2所示，齿轮轴位于泵体的下部，由两个圆锥滚子轴承支承，其前端与提前器相连，后端与调速器相连，齿轮轴两端为带半圆.键槽的锥体，其中与提前器的内锥面贴合的通常称为驱动端，驱动端通过提前器与联轴器等部件与柴油机连接。另一端通过锥面与调速器相联，称为调速端。齿轮轴的结构及外形。2. 1. 2. 齿轮轴的工况齿轮轴通过提前器、联轴器等部件与柴油机相连。由柴油机及油泵的结构可知，柴油机的动力是通过联轴器、提前器等部件传递给油泵凸轮轴的，具体过程为:柴油机的动力通过齿轮传动把动
24、力传递给联轴器，联轴器把动力传递给提前器，由提前器再把动力传递给凸轮轴的驱动端，提前器与轴间的扭矩传递是靠凸轮轴与提前器的锥面贴合产生的摩擦力来完成的，摩擦正压力靠凸轮轴顶端的螺帽拧紧产生。因此在轴的驱动端要受到扭矩的作用，同时柴油机的扭矩是通过齿轮传递过来的，齿轮会产生侧向力，所以凸轮轴还会受到由于侧向力而产生的弯矩的作用。而凸轮轴的调速端则主要是带动调速器工作，因此受力很小。凸轮轴在两个支承点之间除了受到驱动力矩的作用之外，齿轮轴还不断循环往复地受到泵端压力、柱塞弹簧力和惯性力的作用，因此整根齿轮轴在两个支承点之间除了受到扭转力矩的作用外，还受到弯曲力矩的作用。2. 2. 齿轮轴的技术条件2. 2. 1冷加工主要技术要求1.由于轴是靠两锥面贴合的摩擦力来传递扭矩，为了保证有足够的接触面积来传递扭矩，因此工艺要求磨削加工结束后，两个锥面的贴合面积不得小于8002.轴两端的锥体上开有半圆键槽，在键槽缺口处容易产生应力集中，为了有效地降低应力集中的敏感性及应力集中系数，提高锥体部位的强度，工艺要求半圆键槽的根部有r为0. 4士a. z二的圆角。3.锥面与圆柱面交界处要求平滑过渡。2. 2. 2。热处理技术要求
