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齒輪油泵軸的失效分析及優化設計

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更新時間：2014-04-11
發布人：649829230

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摘要
隨著汽車工業的蓬勃發展，對汽車及其零部件的安全可靠性要求也就不斷發展提高，作為汽車發動機的心臟部件油泵，一旦.出現故障，輕則造成汽車拋錨，重則造成車毀人亡，給人類的生命財產帶來嚴重的危害。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，軸斷裂現象更為頻繁發生，‘占不僅給油泵生產廠商帶來巨大的經濟損失，還嚴重地損害了油泵生產廠商的社會信譽。因此盡快找出軸斷裂的原因并提出相應的改進措施迫在眉睫，具有重要的經濟效益及社會效應。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策。本文運用失效分析程序圖及失效分析魚骨圖的方法，從原材料、加工工藝過程和設計強度等角度出發，對齒輪油泵軸的疲勞斷裂失效原因首次進行了詳細地剖析并提出了一些相應的改進措施。通過宏觀和微觀斷口分析，確定凸輪軸的斷裂性質為旋轉彎曲扭轉復合疲勞斷裂。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生的網狀碳化物直接導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要求，導致由錐面貼合產生的摩擦力不能滿足傳遞扭矩的要求，使兩錐面產生相對運動，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展。應力計算表明，軸錐體鍵槽上方處所受的應力較大，再加上冷熱加工缺陷在鍵槽處引起的應力集中，所以錐體鍵槽上方處最容易萌生疲勞裂紋并快速擴展。這也就是疲勞斷裂主要發生于該部位的原因。熱處理淬火工藝不當，心部組織中出現大量的未溶鐵素體，羽毛狀上貝氏體和魏氏組織等異常組織，也會使凸輪軸的疲勞強度及心部韌性急劇下降，促使疲勞裂紋快速擴展，最終導致凸輪軸兩種類型的斷裂。針對上述失效原因，提出了以下改進措施:(1)在結構允許的條件下，盡可能加大鍵槽底部的圓角過渡(2)提高冷加工質量，增加錐面貼合面積及表面光潔度(3)改進熱處理工藝，提高熱處理質量。通過理論分析及反復試驗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，至今未發現軸斷裂現象的發生。
關鍵詞:軸，表面涂防,斷裂分析，網狀碳化物，疲勞強度，

目錄
第1章緒論---------------------------------------------11
1.1油泵的發展歷史及國內外現狀----------------------------12
1.2油泵系統----------------------------------------------12
1.2.1油泵的作用-----------------------------------------12
1.2.2油泵的組成及工作原理-------------------------------12
1.3機械失效模式及分析-----------------------------------14
1.3.1機械失效模式--------------------------------------14
1.3.2機械斷裂失效的危害性-------------------------------15
1.3.3失效分析的步驟及方法------------------------------16
1.4小結-------------------------------------------------17
第2章軸-------------------------------------------------19
2.1軸的結構及工況---------------------------------------19
2.1.1 凸輪軸的結構-------------------------------------19
2.1.2 凸輪軸的工況-------------------------------------20
2.2軸的技術條件------------------------------------------20
2.2.1 冷加工主要技術要求-------------------------------21
2.2.2 熱處理技術要求-----------------------------------21
2.3軸的加工過程-------------------------------------------24
2.4小結--------------------------------------------------25
第3章應力分析-------------------------------------------25
3.1強度校核原始條件---------------------------------------25
3.2軸扭矩計算---------------------------------------------25
3.2.1 計算工況-------------------------------------------25
3.2.2 凸輪軸受力分析-------------------------------------26

3.2.3 外載荷與慣性力Pj計算-----------------------------27
3.3彎矩的計算-------------------------------------------28
3.3.1 側向力F2的計算-----------------------------------28
3.3.2 彎矩的計算----------------------------------------28
3.4危險截面應力的計算-----------------------------------28
3.4.1 最大切相力計算----------------------------------29
3.4.2 最大正應力的計算--------------------------------31
3.4.3 主應力計算--------------------------------------31
3.5安全系數校核-----------------------------------------32
3.5.1 錐柱面交接截面校核------------------------------33
3.5.2 鍵槽截面校核------------------------------------34
3.6小結-------------------------------------------------34
第4章綜合分析------------------------------------------34
4.1斷裂性質分析-----------------------------------------35
4.2斷裂原因綜合分析-------------------------------------36
4.2.1 疲勞源產生的因素--------------------------------36
4.2.2 疲勞裂紋擴展原因分析----------------------------39
4.3小結-------------------------------------------------45
第5章改進措施-------------------------------------------46
5.1設計改進---------------------------------------------46
5.1.1提高強度儲備--------------------------------------46
5.1.2優化結構設計--------------------------------------46
5.2提高冷加工質量---------------------------------------48
5.2.1 提高表面光潔度-----------------------------------48
5.2.2 提高錐面的加工精度-------------------------------49
5.3材料選用改進-----------------------------------------49
5.4改進熱處理工藝---------------------------------------50
5.4.1 工藝改進設想-------------------------------------50
5.4.2 試驗方法-----------------------------------------50
5.4.3 試驗結果-----------------------------------------52
5.4.4小結----------------------------------------------58
設計心得----------------------------------------------------58
結束語------------------------------------------------------59
參考文獻----------------------------------------------------59
...

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