东风汽车公司零部件疲劳失效分析.pdf

汽车零部件的疲劳失效分析汽车零部件的疲劳失效分析汽车零部件的疲劳失效分析汽车零部件的疲劳失效分析 报告人：冯继军报告人：冯继军 单单 位：东风汽车公司商用车技术中心工艺研究所位：东风汽车公司商用车技术中心工艺研究所 时时 间：间：20102010年年6 6月月 地地 点：杭州点：杭州 2 主要内容主要内容 疲劳失效分析基础疲劳失效分析基础 金属材料疲劳断裂的定义、特点金属材料疲劳断裂的定义、特点 金属疲劳的分类疲劳失效的过程金属疲劳的分类疲劳失效的过程 汽车零部件疲劳失效特点汽车零部件疲劳失效特点 引起汽车零件疲劳失效的原因引起汽车零件疲劳失效的原因 疲劳失效的过程疲劳失效的过程 疲劳失效的特征：载荷的影响疲劳失效的特征：载荷的影响 汽车零部件疲劳失效案例汽车零部件疲劳失效案例 轴类零件轴类零件 杆类零件杆类零件 管件类零件管件类零件 弹簧类零件弹簧类零件 齿轮类零件齿轮类零件 螺栓类零件螺栓类零件 3 01案例-eq6102增压喷射泵联结轴 01案例-eq6102增压喷射泵联结轴 03案例-连通轴 04案例-横拉杆 05案例-转向垂臂销子 06案例-高压油泵柱塞套失效分析 07案例-增压器回油管失效分析与改进 08案例-客车钢板弹簧 09案例-调整臂弹簧 10案例-无声链条 11案例-六档齿轮 12案例-后桥主减主动轮 13案例-变速箱太阳轮 14案例-变速箱中间轴常啮合齿轮 15案例-42crmo螺栓 16案例-减振器螺栓 案案 例例 4 疲劳失效分析基础疲劳失效分析基础 定义：定义：许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作 用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力反复循环作 用以后，也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳。 金属材料疲劳断裂的定义、特点特点 特点特点： 1）载荷应力是交变的； 2）载荷的作用时间较长； 3）断裂是瞬时发生的； 4）无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。 所以，疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。 5 金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种： 1 1 1 1）高周疲劳）高周疲劳：指在低应力（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹 性极限）条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲 劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。 2 2 2 2）低周疲劳）低周疲劳：指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条 件下，应力循环周数在10000100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这 种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。 3 3 3 3）接触疲劳）接触疲劳：这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下， 出现麻点剥落或表面压碎剥落，从而造成机件失效破坏。 4 4 4 4）腐蚀疲劳）腐蚀疲劳：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质（如酸、碱、海水、活 性气体等）的共同作用下，所产生的疲劳破坏。 5 5 5 5）热疲劳热疲劳：指由于温度变化所产生的热应力的反复作用，所造成的疲劳 破坏。 金属疲劳的分类金属疲劳的分类 6 汽车零部件疲劳失效特点 1.疲劳失效是汽车零部件最主要的失效形式，约占全部失效分析案例的 40%。 2.断裂前没有可见裂纹、功能改变等预兆。 3.疲劳失效导致的损失巨大。 4.可以预防。设计、生产、使用、维护人员具备相关疲劳失效知识，可以 减少1/3以上的损失。 7 设计设计 疲劳强度准则、应力集中、危险截面 材料材料 冶金缺陷 带状 晶粒度 夹杂物 第二相粒子 锻造比 加工加工 冷加工冷加工：刀痕 冷挤压 磨削烧伤 冷作硬化 锻造锻造 折叠 脱碳 过烧 流线 热处理热处理 热处理裂纹、变形超指标、残余应力过大、组织不合格、 性能不合格、脆性 焊接焊接 外观缺陷、气孔和夹渣、 裂纹、 熔蚀、内应力 使用使用 保修里程 力矩保持 意外冲击 环境环境 极端温度 连续高负荷 腐蚀环境 引起汽车零件疲劳失效的原因： 8 疲劳失效分析基础疲劳失效分析基础 疲劳失效的过程疲劳失效的过程： 9 疲劳失效分析基础疲劳失效分析基础 疲劳失效的特征疲劳失效的特征：载荷的影响载荷的影响 10 疲劳失效断口图谱（举例）疲劳失效断口图谱（举例） 11 疲劳失效案例轴类零件疲劳失效案例轴类零件 作用：连接、传递扭矩、承受弯矩 受力：扭转、弯曲、接触应力 典型零件：曲轴 凸轮轴 变速箱二轴 、一轴 半轴 摇臂轴 轮毂轴 连通轴 各类连接轴、输出轴 特点：零件不同部位的受力要求相差很大， 需要在不同部位进行表面处理等手段。 喷射泵联接轴喷射泵联接轴 案例案例 轮毂半轴轮毂半轴 连通轴连通轴 12 疲劳失效案例杆类零件疲劳失效案例杆类零件 作用：连接、承受弯矩或承受拉力 受力：单向或双向弯曲、部分零件存在接触应力 特点：形状复杂，多孔、多台阶等 大多要求调质处理 典型零件：前轴 横向稳定杆 直拉杆 变速器操纵 杆球头拉杆 转向节臂 转向横拉杆转向横拉杆 案例案例 转向垂臂销子转向垂臂销子 13 疲劳失效案例管类零件疲劳失效案例管类零件 典型零件：典型零件： 后桥壳、车轮、轮毂轴管、半轴套管、传动轴 各类油管（不锈钢薄壁管、高压油管）、柱塞套 柱塞套失效分析柱塞套失效分析 案例案例 燃油回油管燃油回油管 管类零件在汽车上大致有两类：一类用作结构件，在应力主要是分布在 分布在零件外表面的情况下，如传动轴管等，或者其内部还需要安放其它零 件，如桥壳、半轴套管等；另一类用作功能件，主要承担一些特定的功能， 如各类油管等，这些零件多承受其内管壁的脉动压力、汽车运行过程中的振 动力等。 管类零件的受力、制造工艺、用材等共性较少。但其断口分析具有一定 共性。由于零件都为薄壁件，裂纹的起源、扩展过程具有一定的共性。 14 疲劳失效案例弹簧类零件疲劳失效案例弹簧类零件 钢板弹簧钢板弹簧 螺旋弹簧螺旋弹簧 扭力杆扭力杆 钢板弹簧钢板弹簧 服役条件：服役条件：汽车悬架系统中的弹性元件，其作用主要有： 1. 传力作用。传递车桥与车架之间载荷。 2缓冲作用。缓冲来自车轮的冲击力。 3.导向作用。 当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，使车轮 按一定轨迹相对于车架和车身跳动。 工作中作用在钢板弹簧上的载荷主要有： 1.来自汽车车架的垂直压力以及由此产生的来自车桥的反向支承力。当车桥和车架 相互远离时，钢板弹簧所受的这一垂直载荷和变形逐渐减小，有时甚至会反向。 2.由于路面不平等原因引起的振动而对簧片产生的扭曲力。 3.钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间相对滑动而产生的摩擦力与接触应力。 基本性能要求：基本性能要求： 高的抗拉强度极限、屈服极限、弹性极限和疲劳极限，同时要求具有高的冲击韧性 和塑性。此外，还要求具有一定的抗腐蚀性能。 15 关键部位：关键部位：1.1.主片卷耳处。此处受力较大，是板簧薄弱处。为改善主片卷耳受力情 况，常将第二片末端也完成卷耳，包在主片卷耳外面。 2.对于多片等截面板簧，簧片分布并不均匀，其应力最大处，也是其危险 截面，一般容易在此处产生疲劳断裂。 3. 上簧片与下片末端接触处，此处更容易产生接触疲劳。 4.中心螺栓孔处，容易产生热处理缺陷以及因为螺栓松动引起的疲劳断裂。 主要失效形式：主要失效形式： 钢板弹簧最常见的失效形式是弯曲疲劳断裂。 在腐蚀介质作用下，可能产生腐蚀疲劳断裂。 当钢板弹簧片与片之间的接触不正常时，可能产生接触疲劳断裂。 当中心螺栓松动时，容易在螺栓孔处发生疲劳断裂。 钢板弹簧钢板弹簧 16 螺旋弹簧螺旋弹簧 调整臂弹簧调整臂弹簧 汽车上的螺旋弹簧主要用于减震、关闭（或打开）、储力等。 螺旋弹簧压紧或伸长过程中，杆身受扭转、拉伸作用，其内径表面受力最大。 因此对表面质量特别敏感。 表面喷丸 客车板簧失效分析客车板簧失效分析案例案例 无声链条无声链条 17 疲劳失效案例齿轮类零件疲劳失效案例齿轮类零件 1.齿轮是汽车上最重要的传动零件。广泛应用于发动机、变速箱、后桥、转向系等各大 系统以及各种水泵、油泵等等。 2.重载齿轮一般做渗碳处理。还有感应淬火、氰化、氮化、等表面处理工艺。 3.表面要求耐磨、抗接触应力。高硬度、压应力分布、硬质相、自润滑。 4.齿轮不同部位要求差异很大。螺纹部、轴承部、齿轮部 5.弯曲疲劳失效：齿部抗弯强度、表面压应力层、表面质量、弯矩（接触区） 6.接触疲劳失效：表面硬度、表面质量、表明应力分布、残奥、碳化物、接触应力、接 触区、运动轨迹。 18 材料：渗碳钢（淬透性）材料：渗碳钢（淬透性） 中碳合金钢中碳合金钢 奥贝球铁奥贝球铁 粉末冶金粉末冶金 工艺：渗碳、感应淬火、氰化、氮化工艺：渗碳、感应淬火、氰化、氮化 硬化层深控制硬化层深控制 心部硬度控制心部硬度控制 六档齿轮失效分析六档齿轮失效分析 后桥主减主动轮后桥主减主动轮 太阳轮齿面剥落太阳轮齿面剥落 中间轴常啮合齿轮中间轴常啮合齿轮 案例案例 19 疲劳失效案例螺栓类零件疲劳失效案例螺栓类零件 普通螺栓普通螺栓 高强度螺栓高强