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摘 要
隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，對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)動機的心臟部件油泵，一旦.出現(xiàn)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(chǎn)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(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)濟損失，還嚴重地損害了油泵生產(chǎn)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(jīng)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(fā)，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(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲扭轉(zhuǎn)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(chǎn)生的網(wǎng)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(shù)要求，導致由錐面貼合產(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(fā)生于該部位的原因。熱處理淬火工藝不當，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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(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，疲勞強度，
目 錄
第1章 緒論---------------------------------------------11
1.1油泵的發(fā)展歷史及國內(nèi)外現(xiàn)狀----------------------------12
1.2油泵系統(tǒng)----------------------------------------------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(jié)-------------------------------------------------17
第2章 軸-------------------------------------------------19
2.1軸的結(jié)構(gòu)及工況---------------------------------------19
2.1.1 凸輪軸的結(jié)構(gòu)-------------------------------------19
2.1.2 凸輪軸的工況-------------------------------------20
2.2軸的技術(shù)條件------------------------------------------20
2.2.1 冷加工主要技術(shù)要求-------------------------------21
2.2.2 熱處理技術(shù)要求-----------------------------------21
2.3軸的加工過程-------------------------------------------24
2.4小結(jié)--------------------------------------------------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(cè)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(shù)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(jié)-------------------------------------------------34
第4章 綜合分析------------------------------------------34
4.1斷裂性質(zhì)分析-----------------------------------------35
4.2斷裂原因綜合分析-------------------------------------36
4.2.1 疲勞源產(chǎn)生的因素--------------------------------36
4.2.2 疲勞裂紋擴展原因分析----------------------------39
4.3小結(jié)-------------------------------------------------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(yōu)化結(jié)構(gòu)設計--------------------------------------46
5.2提高冷加工質(zhì)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(jié)果-----------------------------------------52
5.4.4小結(jié)----------------------------------------------58
設計心得----------------------------------------------------58
結(jié)束語------------------------------------------------------59
4
圖3-3 疲勞源區(qū)的擦傷條紋
圖3-4 疲勞源區(qū)的條紋形貌
圖3-5 疲勞擴展后期的條紋形貌
圖3-6 鍵槽邊緣的金相組織:馬氏體+碳化物+參與奧氏體
圖3-7 1號斷軸心部組織：板條馬氏體+少量鐵素體
圖3-8 2號斷軸心部組織：板條馬氏體+粒狀貝氏體+羽毛狀貝氏體+少量碳素體
圖3-1平斷口
圖3-2 斜斷口
課題名稱 齒輪油泵軸的失效分析及優(yōu)化設計
專業(yè)名稱 機械制造及其自動化
學生姓名
專業(yè)班級
學生學號
指導老師
設計時間：2006年2月1日--2006年5月31日
摘 要
隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，對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)動機的心臟部件油泵，一旦.出現(xiàn)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(chǎn)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(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)濟損失，還嚴重地損害了油泵生產(chǎn)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(jīng)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(fā)，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(zhì)為旋轉(zhuǎn)彎曲扭轉(zhuǎn)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(chǎn)生的網(wǎng)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(shù)要求，導致由錐面貼合產(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(fā)生于該部位的原因。熱處理淬火工藝不當，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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(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，疲勞強度，
目 錄
第1章 緒論---------------------------------------------11
1.1油泵的發(fā)展歷史及國內(nèi)外現(xiàn)狀----------------------------12
1.2油泵系統(tǒng)----------------------------------------------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(jié)-------------------------------------------------17
第2章 軸-------------------------------------------------19
2.1軸的結(jié)構(gòu)及工況---------------------------------------19
2.1.1 凸輪軸的結(jié)構(gòu)-------------------------------------19
2.1.2 凸輪軸的工況-------------------------------------20
2.2軸的技術(shù)條件------------------------------------------20
2.2.1 冷加工主要技術(shù)要求-------------------------------21
2.2.2 熱處理技術(shù)要求-----------------------------------21
2.3軸的加工過程-------------------------------------------24
2.4小結(jié)--------------------------------------------------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(cè)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(shù)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(jié)-------------------------------------------------34
第4章 綜合分析------------------------------------------34
4.1斷裂性質(zhì)分析-----------------------------------------35
4.2斷裂原因綜合分析-------------------------------------36
4.2.1 疲勞源產(chǎn)生的因素--------------------------------36
4.2.2 疲勞裂紋擴展原因分析----------------------------39
4.3小結(jié)-------------------------------------------------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(yōu)化結(jié)構(gòu)設計--------------------------------------46
5.2提高冷加工質(zhì)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(jié)果-----------------------------------------52
5.4.4小結(jié)----------------------------------------------58
設計心得----------------------------------------------------58
結(jié)束語------------------------------------------------------59
參考文獻----------------------------------------------------59
第一章 緒論
1. 1.油泵的發(fā)展歷史及國內(nèi)外現(xiàn)狀
1892年狄賽爾發(fā)明了柴油機，一個世紀以來，經(jīng)過幾代人的努力，柴油機已經(jīng)發(fā)展成為一個龐大的家族。在今天的世界上，凡是有人類活動的地方都有柴油機在運轉(zhuǎn)。柴油機的心臟就是燃油噴射裝置[1]，即通常所說的油泵油嘴。
柴油機用燃油裝置源于1893年魯?shù)婪?狄賽爾發(fā)明的煤粉噴射裝置。開始時試用煤粉作燃料，其后改用石油燃料。1910年英國維克爾斯(Vickers)公司的佳姆斯.麥克辛(James Mckechnie)發(fā)明無氣噴射裝置.
1922年德國Bosch公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。
隨后日本杰克賽爾公司和電裝公司，多次從德國Bosch公司購買油泵油嘴制造技術(shù)，消化吸收并不斷創(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)集團之一。
近幾年來從柴油機的發(fā)展品種來說，大中型柴油機都轉(zhuǎn)向以經(jīng)濟性良好的直噴式為主流。與非直噴式柴油機相比，直噴式柴油機的燃燒室大，所以，噴射壓力要求高。另一方面，為了改善噴霧質(zhì)量，噴油壓力也有進一步提高的趨勢。現(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)濟性、操縱性和乘坐舒適性，柴油機對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。
我國的內(nèi)燃機工業(yè)起步較世界上其他先進國家晚得多。1908年廣州均和安機器廠制造出的8HP單臥式煤氣機為我國第一臺內(nèi)燃機，1915年廣州協(xié)同和機器廠制造出我國第一臺柴油機[2]。在1949年以前我國的內(nèi)燃機發(fā)展緩慢，沒有形成一個完整的生產(chǎn)體系。經(jīng)過50多年的建設，內(nèi)燃機行業(yè)迅速發(fā)展，柴油機制造廠遍布全國，產(chǎn)品應用到汽車、拖拉機、工程機械、船舶等各行各業(yè)。油泵油嘴相應地得到了迅速的發(fā)展，主要的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)有100多家以上，組成了一個行業(yè)。其中威孚集團公司就是國內(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. 2.油泵系統(tǒng)
油泵系統(tǒng)通常由油泵、噴油器和高壓油管組成。
1.2.1.油泵的作用
油泵的作用是根據(jù)柴油機的工況，將適量的燃油在適當?shù)臅r間內(nèi)以適當?shù)男问絿娙肴紵?，形成適合于燃燒的混合氣，滿足柴油機的性能要求。油泵的作用可以概括為:(1)調(diào)節(jié)噴油量:根據(jù)發(fā)動機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:根據(jù)轉(zhuǎn)速、負荷控制噴油始點，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。它們決定著柴油機的性能，對柴油機的動力性、經(jīng)濟性、排放、噪聲及可靠性、耐久性等都有重要影響。
1.2.2.油泵的組成及工作原理
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油腔，進入油腔后的油通過進油孔被吸入杜塞腔，由齒輪軸推動柱塞上升，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。噴油嘴是個自動閥針閥被調(diào)壓彈簧的預緊力壓緊在座面上，當壓力上升到大于調(diào)壓彈簧的預緊力時針閥開啟，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)除了為柴油機提供燃油之外，它還為保證汽車能正常運行而進行噴油量調(diào)節(jié)。噴油量的調(diào)節(jié)由調(diào)速器控制口安裝調(diào)速器則是由柴油機工作的穩(wěn)定性要求所決定的。
柴油機為了能穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)，它的扭矩必須具有圖1-1所示的扭矩特性，隨著轉(zhuǎn)速上升扭矩減小，柴油機在外界負荷阻力扭矩特性和自身輸出扭矩特性相交的轉(zhuǎn)速點平衡，即兩者相等，柴油機處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。在平衡狀態(tài)下，如果受到某種干擾，則:
(1)若負荷減小，轉(zhuǎn)速上升，則柴油機的輸出扭矩減小，結(jié)果外界負荷的阻力扭矩大于柴油機的扭矩，柴油機就會降速，向穩(wěn)定轉(zhuǎn)速恢復，回復到平衡位置。
(2)若負荷增加，轉(zhuǎn)速下降，則柴油機的輸出扭矩增大，柴油機的轉(zhuǎn)速就會上升，重新回復到平衡位置。
綜上所述，無論受到什么樣的干擾，總有一種回復到平衡位置的作用力存在，
這種力就是通過油泵改變每個循環(huán)的噴油量來實現(xiàn)的。其過程是:柴油機通過提前器等部件把扭矩傳遞給油泵凸輪軸，帶動凸輪軸轉(zhuǎn)動，凸輪軸轉(zhuǎn)動時通過挺柱體推動柱塞上升，通過改變柱塞斜槽的位置調(diào)節(jié)噴油量。
圖1-1 發(fā)動機的穩(wěn)定平衡狀態(tài)
整個油泵的結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。軸在油泵中位于泵體的下部，由兩個圓錐滾子軸承支承，其前端裝有一提前器，后端與調(diào)速器相連。軸上有若干個凸輪(與發(fā)動機汽缸數(shù)相同，本課題研究的對象為6個凸輪)，中部還有一個驅(qū)動輸油泵的偏心輪。凸輪外形采用緩降切線， 故軸不能反轉(zhuǎn)使用。柴油機工作時通過提前器等部件把動力傳遞給凸輪軸的驅(qū)動端，由驅(qū)動端帶動整個油泵工作，因此軸工作時驅(qū)動端受力最大，軸斷裂基本上也都發(fā)生在驅(qū)動端。軸的斷裂是機械失效模式的一種，因此有必要對失效分析的一些機理及方法作一介紹。
1. 3.機械失效模式及失效分析
1. 3. 1，機械失效模式
機械失效就是機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:C1)完全喪失功能，如零件的斷裂。(2)功能退化，如達不到原設計指標(3)嚴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，通?？蓪嶋H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. 1.斷裂失效
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立出來。這樣，斷裂失效可分為四種類型:
1.塑性斷裂失效。塑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。
2.脆性斷裂失效。脆性斷裂失效是指斷裂前宏觀上沒有明顯變形的斷裂。
3.疲勞斷裂失效。疲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。
4.靜載延遲斷裂失效靜載延遲斷裂失效是零件在靜載荷和環(huán)境(如腐蝕、溫度、幅照等)的聯(lián)合作用下而引起與時間有關(guān)的斷裂失效如應力腐蝕、氫脆、蠕變斷裂等。
1. 3.1 2.表面損傷失效
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)作用下山于化學變化、電化學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)下運動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. 3.過量變形失效
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致零件不能完成預定的功能或妨礙了其他零件的正常運行。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力超過零件的屈服極限而造成的塑性變形失效兩種。
1. 3. 2.機械斷裂失效的危害性
斷裂是工程構(gòu)件最危險的失效方式。斷裂不僅能造成重大經(jīng)濟損失而且往往導致機毀人亡的災難性后果。特別是航空、航天、原子能、汽車和拖拉機、動力機械和化工機械等，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年美國標準局估計，斷裂失效在美國每年能造成1190億美元的損失。其中很大一部分斷裂可以通過現(xiàn)代防斷裂技術(shù)的應用加以防止，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統(tǒng)計，四管的爆漏導致大型火電機組的停用約占非計劃停用時間的40%，占鍋爐設備非計劃停用時間的70%。因此，對機械零件進行失效分析，研究斷裂的規(guī)律和機理，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。正因為如此，本課題對凸輪軸進行斷裂失效分析，具有十分重要的經(jīng)濟效益和社會效益。
1. 3. 3.失效分析的步驟及方法
由于機器零件的失效嚴重危及人們的生命財產(chǎn)安全，迫使人們不得不開展對各種失效過程進行分析研究，以求弄清失效的本質(zhì)、產(chǎn)生的原因以及預防的措施。本課題對軸失效分析的核心是找出引起其失效的原因與對策。
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)場調(diào)查、實驗室分析研究和失效的事后處理三個階段[H]。失效分析的基本程序框圖如圖1-3所示。
1.調(diào)查階段
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，以備綜合分析時參考。
2.實驗室分析研究
實驗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，實驗室研究主要包含以下內(nèi)容:
(1).宏觀斷口分析:用肉眼或借助放大倍數(shù)約10倍的放大鏡進行。通過宏觀斷 口分析，進一步確定主斷口，判斷斷口的性質(zhì)，尋找裂紋源等，為其它分析作準備。
(2).金相檢驗:用以進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)化學分析:確定斷裂凸輪軸的實際化學成分是否合格。
(4)機械性能分析:用以測定斷裂齒輪軸的實際機械性能是否符合設計要求。
(5)掃描電鏡分析:用以確定斷口的微觀斷裂機制。
(6)應力分析:采用理論計算確定齒輪軸所受應力的大小，并進行強度校核。
對實驗得出的各種結(jié)果，進行最后的綜合分析，將設計、材料與工藝相結(jié)合，
結(jié)構(gòu)強度與材料強度相結(jié)合，宏觀與微觀相結(jié)合，試驗室規(guī)律性試驗與生產(chǎn)實際相結(jié)合。對于重大的失效分析，還要進行模擬試驗或臺架試驗，以證實分析結(jié)果是否正確。本課題限于時間，不再進行模擬試驗。
3.失效事后處理
本階段主要是對失效分析的過程、失效原因和預防措施進行總結(jié)，提出失效分析報告。
1. 3. 3. 2.失效分析的方法
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)系進行評價時，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--魚骨圖法也稱特征要因圖法進行。
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、設計、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1-4所示。根據(jù)測試分析結(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。
1.4小結(jié)
1.油泵中關(guān)鍵零件凸輪軸的早期斷裂導致油泵失效，使柴油機無法正常運轉(zhuǎn)，給生產(chǎn)帶來嚴重的經(jīng)濟損失。
2. 齒輪軸斷裂屬于機械失效。機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、實驗室分析和事后處理三個階段進行。
圖1-3 失效分析基本程序圖
圖1-4 齒輪軸斷裂失效分析魚骨圖
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2-1齒輪軸結(jié)構(gòu)示意圖
2. 1. 1. 齒輪軸的結(jié)構(gòu)
如第一章圖1-2所示，齒輪軸位于泵體的下部，由兩個圓錐滾子軸承支承，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.鍵槽的錐體，其中與提前器的內(nèi)錐面貼合的通常稱為驅(qū)動端，驅(qū)動端通過提前器與聯(lián)軸器等部件與柴油機連接。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相連。由柴油機及油泵的結(jié)構(gòu)可知，柴油機的動力是通過聯(lián)軸器、提前器等部件傳遞給油泵凸輪軸的，具體過程為:柴油機的動力通過齒輪傳動把動力傳遞給聯(lián)軸器，聯(lián)軸器把動力傳遞給提前器，由提前器再把動力傳遞給凸輪軸的驅(qū)動端，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)動端要受到扭矩的作用，同時柴油機的扭矩是通過齒輪傳遞過來的，齒輪會產(chǎn)生側(cè)向力，所以凸輪軸還會受到由于側(cè)向力而產(chǎn)生的彎矩的作用。而凸輪軸的調(diào)速端則主要是帶動調(diào)速器工作，因此受力很小。凸輪軸在兩個支承點之間除了受到驅(qū)動力矩的作用之外，齒輪軸還不斷循環(huán)往復地受到泵端壓力、柱塞彈簧力和慣性力的作用，因此整根齒輪軸在兩個支承點之間除了受到扭轉(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
1.由于軸是靠兩錐面貼合的摩擦力來傳遞扭矩，為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，兩個錐面的貼合面積不得小于800
2.軸兩端的錐體上開有半圓鍵槽，在鍵槽缺口處容易產(chǎn)生應力集中，為了有效地降低應力集中的敏感性及應力集中系數(shù)，提高錐體部位的強度，工藝要求半圓鍵槽的根部有r為0. 4士a. z二的圓角。
3.錐面與圓柱面交界處要求平滑過渡。
2. 2. 2。熱處理技術(shù)要求
2. 2. 2. 1.材料
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，在機械設計中，常選用低碳鋼通過表面處理來達到要求，凸輪軸即如此材料為20Cr鋼，具體的化學成分滿足GB3077-880凸輪軸用20Cr鋼能很好地滿足冷加工工藝性、熱處理工藝性、熱處理后要達的性能要求。這是因為20Cr鋼是在20鋼的基礎上，為了提高其性能，加入0. 7-1. 00}的Cr而成。20Cr鋼工藝性能優(yōu)良，鍛造正火后具有良好的切削加工性，下火后的硬度為(156-207) HB。切削性能較好，表面光潔度高。由于鉻的加入，提高了鋼的淬透性，而且鉻又是強化鐵素體的元素，溶于鐵素體中亦可起強化作用，因此提高了凸輪軸滲碳后的心部強度。由于淬透性提高，在淬火時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，故滲碳時應嚴格控制
滲碳爐內(nèi)的氣氛碳勢。20Cr鋼雖然是本質(zhì)細晶粒鋼，但在滲碳溫度下長期加熱滲碳,晶粒也會顯著長大，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，細化晶粒，進一步提高心部的強度及韌性，為后續(xù)熱處理做組織準備，因此在滲碳后要進行正火。然后再重新加熱淬火。
2.2.2.2.熱處理工藝要求
齒輪軸的整個熱處理過程為: 齒輪軸先滲碳，滲碳后正火，正火后再淬火回火，然后再對軸的錐體進行高頻退火。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20Cr鋼原始的低碳含量，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，細化晶粒，進一步提高心部的強韌性，為淬火作組織儲備。軸淬火的目的是為了提高表面的硬度、強度、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力，適當?shù)臏p低強度，減少脆性，提高韌性，同時還可提高尺寸穩(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，達到中硬度的要求。熱處理各工序的工藝參數(shù)分別如圖z-z所示。
2. 2. 2. 3.硬度及滲碳層深度
1.硬度
余屬的硬度反映了金屬抗侵入能力，它不僅與材料的靜強度、疲勞強度存在近似的經(jīng)驗關(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熱處理質(zhì)量的指標之一，同時硬度檢測還具有快速直觀準確的特點，因此軸也可采用硬度法來檢驗其熱處理質(zhì)量。
由軸的工作原理可知:軸的齒輪在工作時要不斷交替推動滾輪仁升，因此齒輪表面在工作時就要不斷受到滾輪循環(huán)接觸應力的作用。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度，防止早期剝落和磨損而影響軸的正常工作，所以齒輪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601IRCo磨削加工后的成品凸輪表面要求大于58HRCo
從軸的工況分析，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，但是若過分強調(diào)塑韌性而忽略強度硬度要求，就有可能導致強度及多沖抗力不足，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30-45HRC。一般的工程結(jié)構(gòu)材料處于該硬度范圍時具有很好的強韌性。
2.滲碳層深度
對于進行滲碳處理的零部件其滲碳層的深度會直接影響到它的使用性能，尤其是對于軸等受扭轉(zhuǎn)或彎曲載荷作用的零件，表面應力最大，應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力低于心部強度，若應力大于材料的屈服極限，將會產(chǎn)生塑性變形。卸載后滲層彈性變形恢復，而心部卻不能恢復，在交變載荷的循環(huán)作用下，滲層與心部的交界處就會產(chǎn)生裂紋，并逐步擴展，所以對于心部強度較低的鋼，采用增加滲層厚度的辦法可顯著提高疲勞強度。但滲層深度不可過深，因為滲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，導致疲勞強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。
日常設計零件的滲碳層深度時，大都采用經(jīng)驗或經(jīng)驗公式計算方法。美國金屬學會(ASM)推薦可根據(jù)載荷的大小選擇滲碳層深度，其參考值如表3-2所示!
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)實際經(jīng)驗。由于齒輪軸受交變負荷的作用，所受的力是交變彎扭復合應力，所以要求齒輪軸具有很高的疲勞強度和沖擊韌性。齒輪軸的材料是20Cr鋼，熱處理淬火時以硝鹽作為冷卻介質(zhì)，淬火后心部強度不高，為了獲得高的疲勞強度及沖擊韌性，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. 2-2. Ommo磨削加工后要求滲碳層大于0. 9mmo
表2-2 按照載荷的大小選擇滲碳硬化層深度
2.2.2.4金相組織
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度和耐磨性,同時心部能保持足夠的強度和韌性，對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。
2.3齒輪軸的加工過程
由于齒輪軸的形狀復雜，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，均勻和細化鍛造組織，消除鍛造應力，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。正火后進行粗加工，粗加工結(jié)束后再進行熱處理滲碳。由于長時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。又由于齒輪軸是細長零件淬火后也會產(chǎn)生較大的變形，因此還需要進行校直，校直后再進行回火，回火結(jié)束后再對兩端錐體部位進行高頻退火，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。整個加工流程如圖2-3所示。
圖2-3 齒輪軸的加工流程圖
2.4小結(jié)
1.齒輪軸是油泵的關(guān)鍵部件，它位于泵體的下端，由兩個軸承支承，軸上有1個凸輪和1個偏心輪，兩端為帶有鍵槽的錐體(錐度為1: 5)，其驅(qū)動端與提前器相連，調(diào)速端與調(diào)速器相連。
2.齒輪軸的驅(qū)動端受到彎扭復合力的作用，受力最大:調(diào)速端受力很小，而在兩支承點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。
3.齒輪軸采用20Cr材料模鍛成型，熱處理工藝采用滲碳淬火處理。
第三章應力分析
應力分析是根據(jù)零件的大小、形狀以及載荷等因素，采用理論應力計算或?qū)嶒烌炞C的方法確定條件中的應力大小，從強度方面分析失效的原因及提出預防措施.本課題中對齒輪軸通過理論應力分析進行強度校核。
由于齒輪軸斷裂的部位都位于錐柱面交界的錐體處，因此本課題主要對錐體部位進行強度校核。
3.1強度校核原始條件
由齒輪軸的結(jié)構(gòu)及工況可知: 齒輪軸工作時，要不斷推動滾輪上升，滾輪再推動柱塞上升，齒輪軸所受的載荷由泵端壓力通過柱塞產(chǎn)生的作用力PP,慣性力PJ,柱塞彈簧力Pz組成，合力為P。合力P通過滾輪作用在凸輪上。
如前所述，錐體部分除了受到柴油機傳遞過來的驅(qū)動扭矩M，的作用之外，還要受到柴油機齒輪的側(cè)向分力而產(chǎn)生的彎矩的作用。設側(cè)向力為F1彎矩為M,o齒輪軸工作時驅(qū)動端要傳遞動力，受力最大，也是斷裂部位所在端。所以，下面只對驅(qū)動端進行強度計算。
從前面的敘述可知，驅(qū)動扭矩的循環(huán)特征值R>0;最小應力很小，可忽略不計。本文按R=0計算，即把驅(qū)動扭矩變化按脈動循環(huán)處理。
3.2 齒輪軸扭矩計算
3.2.1 計算工況
取滾輪與齒輪在切線終點處的接觸點為計算位置，因為這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，因此齒輪軸此時受力最大。
本課題所計算得齒輪軸：齒輪升程為11mm。
則a+b=60,b=25 所以a=35
3.2.2齒輪軸受力分析
齒輪軸的受力簡圖如圖3-1
圖3-1 齒輪軸受力簡圖
如圖所示，可得：
F1=P/cosa
由平衡條件：
ΣY=0，得：
P=Ra+Rb
ΣZ=0,得：
F1=Ra-Rb+Ptana
ΣMx=0,得:
Mr=F1*S
Σmy=0
F2*L1=Rb*L
式中：
P—垂直外力總和
Ra、Rb---兩端軸承對齒輪軸支座垂直反力
Ra’,Rb’----兩端軸承對齒輪軸支坐水平反力
F1-----------滾輪對齒輪的作用力
Mr----------驅(qū)動扭矩
S------------F1到齒輪中心的距離
S=（R+r+h）*sina
R------------齒輪基圓半徑
r-------------滾輪半徑
h------------計算位置的齒輪升程
h=5.2986mm
L------------兩軸承支坐之間的距離
L1----------計算截面到軸承支坐的距離
3.2.3.外載荷與慣性力PJ計算
PPG+AP，十PJ
式中:P--泵端壓力通過柱塞產(chǎn)生的作用力
P--柱塞彈簧的作用力
P--運動部件的慣性力
3.2.3.1柱塞作用力Pp
泵端壓力p。作用在直徑為d的柱塞上，泵端壓力p}=600bar，柱塞直徑
d=9. 5mm,
故 PN=pm·} d2/4=4249. 07N
lbar=1.02 X 9. 8 X 10-ZN/mm}
3.4 3.2柱塞彈簧作用力PZ
設彈簧剛度為K} K =3. 67 X 9. 8 N/mm，在計算位置處彈簧的壓縮量為7. 3mma
故 Px -K·} -262. 5N
3.2.3.3慣性力Pf
取油泵轉(zhuǎn)速，1500rpm時的加速度進行計算
p=W·a/g
式中: g--重力加速度
a--運動部件加速度
W--運動部件重量
計算可得:
PJ=310. 3N
則 P= Pp+Pz+Pj=4821.9N
代入式(4-1)得:
F1=P/cosa=5886.4N
代入式(4-4):得
Mk= F1.S=F1·(R+r+h)·sin a =98. 9N·m
3.3彎矩的計算
由受力簡圖可知，山于側(cè)向力F，凸輪軸的驅(qū)動端還受到彎矩的作用。
3.3.1側(cè)向力FZ的計算
柴油機齒輪傳遞給油泵凸輪軸的扭矩就是凸輪軸的驅(qū)動扭矩MH，所以齒輪的側(cè)向嚙合力F2為:
F2= Mr /a
式中a為齒輪的半徑，a=105mm
計算可得
F2=941. 9N
3.3.2彎矩的計算
齒輪嚙合力F2移至齒輪軸軸線上的側(cè)向力，使凸輪軸產(chǎn)生彎曲，驅(qū)動端截面上的彎矩為:
M =FZ. x
式中:、一為齒輪中心到所計算截面的距離,從上式可以看出，當F:不變時，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。計算中心截面離齒輪中
心的距離x=280mm，因此，計算可得，該截面所受的彎矩
Mw ,ax=263.7 N·m
3.4危險截面應力的計算
3.4.1最大切應力計算
在計算過程中假設齒輪軸工作時提前器內(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錐面范圍內(nèi)通過摩擦力f逐漸加上的。
為了計算方便，如圖3-2把錐體置于直角坐標系中，坐標系原點在錐角頂點，錐臺小端半徑即齒輪軸錐體小端半徑為R1=6. 6rnm，其橫坐標為x,，錐臺大端半徑即齒輪軸錐體大端為R2= 10. 0mm，橫坐標為X2o鍵槽半徑為8mm,鍵槽垂直于母線方向的最大深度為9. 9mm,鍵槽的寬度b為5mmo
圖3-2 錐臺坐標系
首先計算錐體段截面上驅(qū)動端的扭矩。
設單位面積上的摩擦力為f，則摩擦力矩元dm。為:fds·R, dm,對整個錐面的積
分即為，急摩擦力矩Mf
由式((4-6)可得:在理想貼合狀態(tài)下，錐體截曲上最大應力T。。、隨半徑R增大而增大，即在錐柱面交界受到的應力最大。
由此可計算:
1.半徑為R=10. 0二時，即在凸輪軸錐柱面交界處，此處的抗扭截面模量為:
2.考慮鍵槽的影響，鍵槽部位的抗扭截面模量應為:
在鍵槽最深處，錐體截面的承載面積最小度t=4. 9mm代入式(4-7)計算得:
T max2=49. 9/mm2
從以上兩個不同位置的應力計算可以看出,凸輪軸在錐體上端錐柱面交接處所受的切應力最大。
3.4.2最大正應力的計算
1.錐柱面交界處最大正應力
2.考慮鍵槽的影響，鍵槽部位的抗彎截面模量應為:
從上面的計算可以看出，凸輪軸錐體上在錐柱面交界處受到的應力最大，即危險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。
3.4.3主應力計算
計算危險截面即錐柱面交界處的主應力，由上己知
上面計算表明主應力沿彎曲正應力方向偏轉(zhuǎn)一X0.30，這說明斷口為什么沿橫斷面偏轉(zhuǎn)了個小角度。
3.5安全系數(shù)校核
通過應力分析計算，己找出了危險截面在齒輪軸驅(qū)動端錐柱面交界處。以下校核它的設計安全系數(shù)。通過上述對齒輪軸工況的簡化，即假設齒輪軸所受的扭矩為脈動循環(huán)，根據(jù)材料力學疲勞強度計算理論及凸輪軸本身受力情況、結(jié)構(gòu)特點和加工水平等因素，安全系數(shù)校核公式為[14]:
3.5.1錐柱面交界截面校核
通過查閱有關(guān)手冊可得:對于齒輪軸經(jīng)滲碳淬火回火狀態(tài)下的各項參數(shù)為
3.5.2 鍵槽截面校核
對于齒輪軸在設計時一般取安全系數(shù)為[n]=1. 4-1. 8。從計算結(jié)果來看，計算所得的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)，這說明在理想情況下齒輪軸的疲勞強度是足夠的。
討論:k:和k。為零件的有效應力集中系數(shù)，它與軸上的截面變化，鍵槽及圓角過渡等因素有密切關(guān)系，若鍵槽存在加工尖角，則會產(chǎn)生應力集中，局部應力增大，從而萌生早期裂紋，最終導致齒輪軸斷裂。本凸輪軸鍵槽圓角設計要求r=0. 4mm，查得應力集中系數(shù)k . =2. 9。實際測量圓角為:r=0. 2mm,查得k , =3. 6。而Bosch公司齒輪軸鍵槽r=0. 6mm, k} <2. 6?？梢?，斷軸應力集中系數(shù)比設計要求的高24%，比Bosch公司產(chǎn)品高38%。因此應力集中是導致齒輪軸早期斷裂的主要因素之一。
3.6小結(jié)
1. 齒輪軸受力比較復雜，發(fā)生早期斷裂的驅(qū)動端受扭轉(zhuǎn)、彎曲組合作用。
2. 齒輪軸驅(qū)動端危險截面為錐柱面交界處。
3. 齒輪軸危險截面疲勞強度滿足要求，疲勞安全裕度足夠。
4.應力集中是齒輪軸早期斷裂的主要因素之一。
第四章 綜合分析
本章主要利用實驗室分析及應力分析所得的結(jié)果進行綜合分析討論，明確斷裂的性質(zhì)及引起斷裂的原因。
4.1 斷裂性質(zhì)分析
如緒論中所述，一般構(gòu)件的斷裂性質(zhì)通常分為塑性斷裂、脆性斷裂及疲勞斷裂等等。塑性斷裂是指斷裂前產(chǎn)生較大的塑性變形，因此塑性斷裂一般容易被人們所察覺而立即采取措施，因此危害性較小。而脆性斷裂則在斷裂前無明顯的征兆，不易被人們察覺而突然發(fā)生，因此往往造成很大的危害口疲勞斷裂在很多方面與脆性斷裂相似，在斷裂前無明顯的宏觀塑性變形，也表現(xiàn)為突然斷裂，疲勞斷裂是受到交變載荷的作用而產(chǎn)生的斷裂，疲勞斷口有其自身的特點:(1)疲勞斷口上常常會出現(xiàn)弧形條紋線(2)斷口常常顯示出明顯的疲勞裂紋萌生，擴展和最后斷裂三個階段。這兩個特征也是疲勞斷裂區(qū)別于其它斷裂最明顯的特征。
1號試樣和2號試樣的宏觀斷口上都可見明顯的弧形條紋線，斷口上還存在明顯的裂紋擴展的三個不同階段所留下的痕跡:裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)及最后快速斷裂區(qū)。根據(jù)這些典型特征可判斷齒輪軸的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。
1號試樣和2號試樣的斷裂性質(zhì)雖然都為疲勞斷裂，但由于引起斷裂的應力不同，疲勞斷裂的斷口形貌也不相同，因此可根據(jù)斷口的形貌特征來進一步判斷疲勞斷裂的性質(zhì)。1號試樣斷口表面比較平整光滑，整個斷面基本上與軸線呈垂直。斷面上有明顯的疲勞條紋，在裂紋源附近的條紋線形態(tài)比較扁平，條紋間距比較密集，隨著裂紋的不斷擴展，疲勞條紋的間距越來越寬，這是因為隨著裂紋深度不斷增加，相應地齒輪軸的有效承載面積的不斷減小，導致應力不斷增加，裂紋的擴展速度也就不斷提高，所以裂紋擴展后期留下的條紋間距越來越寬，最后因剩余面積太小無法承受載荷時突然斷裂，形成瞬斷區(qū)，所以瞬斷區(qū)的斷裂形貌比較粗糙，且最后瞬斷區(qū)相對于軸的旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生逆向偏轉(zhuǎn)一個角度。這是由于疲勞裂紋在擴展過程中，齒輪軸在不停地轉(zhuǎn)動，疲勞裂紋前沿順載荷方向擴展快，逆載荷方向擴展慢，所以隨著疲勞裂紋不斷擴展，最后瞬斷區(qū)偏轉(zhuǎn)了一個角度。從這些特征可判斷1號試樣的斷裂性質(zhì)為切斷型的旋轉(zhuǎn)彎曲扭轉(zhuǎn)復合疲勞斷裂。2#試樣斷面比較粗糙，整個斷面大致與軸線呈450，其余形貌特征與1號試樣大致相同，所以可判斷2號試樣的斷裂性質(zhì)是正斷型的旋轉(zhuǎn)彎曲扭轉(zhuǎn)復合疲勞斷裂。從圖3-1還可以看出，1號碼試樣的斷口上疲勞擴展區(qū)占了整個斷口面積的90%以上，瞬斷區(qū)大約只占整個斷口面積的5%左右，因此從兩個區(qū)各自所占的面積大小可知，齒輪軸在最后斷裂前裂紋經(jīng)過了很長時間的擴展，再結(jié)合瞬斷區(qū)比較靠近表面的現(xiàn)象來分析，說明該軸所受的應力不大，大約就在疲勞極限附近，而且齒輪軸的塑韌性較好。2號試樣斷口上擴展區(qū)及瞬斷區(qū)的情況基本上與1號試樣相同，說明2號試樣受力也不大，但2號試樣斷面粗糙且條紋間距比1號試樣寬，在條紋線前面為具有快速撕裂特征的放射狀條紋，還有明顯的疲勞裂紋擴展所留下的臺階，這表明2號試樣的裂紋擴展速度比1#試樣快，因此可判斷2#試樣的脆性比1號稱試樣大。對兩個試樣的金相組織檢查發(fā)現(xiàn)，2號試樣的心部組織中含有明顯脆性的上貝氏體組織，而1號試樣的心部組織為具有很好強韌性配合的板條馬氏體和少量的鐵素體，因為齒輪軸的塑韌性是由其心部組織結(jié)構(gòu)決定的，所以從金相組織分析證實2號試樣的脆性比1號試樣大，它抗拉斷的性能比1#試樣差，因此2號試樣的斷裂為正斷型的，而1號試樣則由于它的塑韌性較好，所以他抗剪切的能力較差，因此1號試樣的斷裂為切斷型的。
4.2.斷裂原因綜合分析
任何構(gòu)件的斷裂過程都有裂紋的萌生、擴展及最后斷裂等過程，因此分析斷裂原因首先要找出引起裂紋源的原因。
4.2.1 疲勞源產(chǎn)生的因素
1. 疲勞源是疲勞核心最初形成的地方，源區(qū)一般很小，因此對源區(qū)的分析主要是找出引起疲勞源的缺陷及其對疲勞成核的作用。疲勞破壞總是從局部最薄弱的地方1l-始，從宏觀看它一般起源于零件表面應力集中或存在表面缺陷的位置，如鍵槽，過渡圓角，刀槽等。但從微觀來看，疲勞裂紋在表面成核可能有三種位置:①表面滑移帶，②晶界及孿晶界處，③表面夾雜或第二相與基體的界面。若原材料內(nèi)部有缺陷，如夾雜，白點，氣孔等，則也會在皮下或內(nèi)部形成疲勞源
由齒輪軸結(jié)構(gòu)可知，錐體上開有導向半圓鍵槽，所以整根齒輪軸就變成了具有截面變化的缺口體，存在缺口不僅零件的實際承載面積減小了，同時缺口還很容易引起應力集中。由第四章的計算可得，缺口越尖銳，應力集中系數(shù)越大，造成的應力集中程度就越高，在缺口處的應力就越大，就會在應力集中點處產(chǎn)生微裂紋。從1號試樣和2號試樣的宏觀斷口上看，疲勞源都位于鍵槽的圓角過渡處。通過檢測該過渡圓角的圓角半徑發(fā)現(xiàn)，該圓角的半徑為0. 2mm，而技術(shù)要求該圓角半徑應為0. 4士0.2mm，所以實測圓角半徑為技術(shù)要求的下限。正是由于該圓角過渡處的圓角半徑太小，應力集中點的三向應力狀態(tài)導致產(chǎn)生微裂紋。再從疲勞條紋線形態(tài)比較扁平且略帶凹向分布，也可推知鍵槽缺口處確實存在很大的應力集中。這是因為凸輪軸表面應力較大，裂紋在表面的擴展速度較快，而心部的應力小擴展速度較慢，所以形成凹向分布的條紋線。
2.金相組織
從微觀的金相組織分析可知，1號試樣和2號試樣在鍵槽附近的表面滲層中都存在網(wǎng)狀碳化物。這是因為熱處理滲碳時，鍵槽部位雖然有保護套保護，但在鍵槽上端由于保護套的密封性較差，鍵槽長時間處在滲碳氣氛中，碳原子會同時從軸的外表面和鍵槽側(cè)壁向內(nèi)滲入，在鍵槽的尖角處實際上處于三向滲碳，因此鍵槽處的相對滲碳速度比其它位置快，所以很容易會造成表面碳原子來不及向內(nèi)擴散，最終堆積而形成碳化物。由于齒輪軸的滲碳時間很長，一般強滲時間就需要6h左右，因此表面的碳化物就會不斷聚集長大連接成網(wǎng);雖然滲碳后需正火消除表面形成的網(wǎng)狀碳化物，但有時會出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物不能全部消除而殘留下來，而且該網(wǎng)狀碳化物在后面的淬火過程也無法再去除而最終保留下來。疲勞裂紋萌生機理研究證實，當應力水平較低時，疲勞裂紋通常萌生于第二相或夾雜物處[13]，但低合金強度鋼的研究結(jié)果表明，夾雜物和第二相的斷裂不是疲勞裂紋萌生的決定性因素，夾雜物和第二相的主要作用是促進滑移帶裂紋的萌生[14]，其影響大小取決于夾雜物和第二相的性質(zhì)和尺寸。滲層組織中Fe3C碳化物由于其彈性模量低，呈顆粒狀分散分布于基體中時，未發(fā)現(xiàn)其對疲勞裂紋萌生有明顯的影響。但當碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀分布時，就會引起嚴重的應力集中，對疲勞裂紋的萌生就有明顯的影響。同時網(wǎng)狀碳化物的存在還不僅割裂了基體的連續(xù)性，而且網(wǎng)狀碳化物本身又非常脆，裂紋就很容易在該位置萌生，形成裂紋源口所以鍵槽附近的表面滲層中存在的網(wǎng)狀碳化物也是引起疲勞源的主要原因。
3.表面滲碳層
表面碳化物的組織形態(tài)、大小及數(shù)量在一定程度上還反映了熱處理滲碳時表面碳濃度的情況。有研究表明，滲碳件表面碳濃度的高低嚴重影響到它的疲勞強度及使用壽命。表4-3[15]列出了滲碳零件表面碳濃度對某低碳合金鋼滲碳淬火后疲勞強度的影響。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，在表面碳濃度為0. 93%時，疲勞強度最高，表面碳濃度大于1%時