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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(dòng)機(jī)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(cái)產(chǎn)帶來嚴(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，
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(jī)械失效模式及分析-----------------------------------14
1.3.1機(jī)械失效模式--------------------------------------14
1.3.2機(jī)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(yīng)力分析-------------------------------------------25
3.1強(qiáng)度校核原始條件---------------------------------------25
3.2軸扭矩計(jì)算---------------------------------------------25
3.2.1 計(jì)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(jì)算-----------------------------27
3.3彎矩的計(jì)算-------------------------------------------28
3.3.1 側(cè)向力F2的計(jì)算-----------------------------------28
3.3.2 彎矩的計(jì)算----------------------------------------28
3.4危險(xiǎn)截面應(yīng)力的計(jì)算-----------------------------------28
3.4.1 最大切相力計(jì)算----------------------------------29
3.4.2 最大正應(yīng)力的計(jì)算--------------------------------31
3.4.3 主應(yīng)力計(jì)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(kuò)展原因分析----------------------------39
4.3小結(jié)-------------------------------------------------45
第5章 改進(jìn)措施-------------------------------------------46
5.1設(shè)計(jì)改進(jìn)---------------------------------------------46
5.1.1提高強(qiáng)度儲(chǔ)備--------------------------------------46
5.1.2優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)--------------------------------------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(jìn)-----------------------------------------49
5.4改進(jìn)熱處理工藝---------------------------------------50
5.4.1 工藝改進(jìn)設(shè)想-------------------------------------50
5.4.2 試驗(yàn)方法-----------------------------------------50
5.4.3 試驗(yàn)結(jié)果-----------------------------------------52
5.4.4小結(jié)----------------------------------------------58
設(shè)計(jì)心得----------------------------------------------------58
結(jié)束語------------------------------------------------------59
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