齿轮油泵轴的失效分析及优化设计【3张CAD图纸和说明书】

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，

目 录
第1章绪论---------------------------------------------11
1.1油泵的发展历史及国内外现状----------------------------12
1.2油泵系统----------------------------------------------12
1.2.1油泵的作用-----------------------------------------12
1.2.2油泵的组成及工作原理-------------------------------12
1.3机械失效模式及分析-----------------------------------14
1.3.1机械失效模式--------------------------------------14
1.3.2机械断裂失效的危害性-------------------------------15
1.3.3失效分析的步骤及方法------------------------------16
1.4小结-------------------------------------------------17
第2章    轴-------------------------------------------------19
2.1轴的结构及工况---------------------------------------19
2.1.1 凸轮轴的结构-------------------------------------19
2.1.2 凸轮轴的工况-------------------------------------20
2.2轴的技术条件------------------------------------------20
2.2.1 冷加工主要技术要求-------------------------------21
2.2.2 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-------------------------------------------25
3.1强度校核原始条件---------------------------------------25
3.2轴扭矩计算---------------------------------------------25
3.2.1 计算工况-------------------------------------------25
3.2.2 凸轮轴受力分析-------------------------------------26

        
3.2.3 外载荷与惯性力Pj计算-----------------------------27
3.3弯矩的计算-------------------------------------------28
3.3.1 侧向力F2的计算-----------------------------------28
3.3.2 弯矩的计算----------------------------------------28
3.4危险截面应力的计算-----------------------------------28
3.4.1 最大切相力计算----------------------------------29
3.4.2 最大正应力的计算--------------------------------31
3.4.3 主应力计算--------------------------------------31
3.5安全系数校核-----------------------------------------32
3.5.1 锥柱面交接截面校核------------------------------33
3.5.2 键槽截面校核------------------------------------34
3.6小结-------------------------------------------------34
第4章    综合分析------------------------------------------34
4.1断裂性质分析-----------------------------------------35
4.2断裂原因综合分析-------------------------------------36
4.2.1 疲劳源产生的因素--------------------------------36
4.2.2 疲劳裂纹扩展原因分析----------------------------39
4.3小结-------------------------------------------------45
第5章   改进措施-------------------------------------------46
5.1设计改进---------------------------------------------46
5.1.1提高强度储备--------------------------------------46
5.1.2优化结构设计--------------------------------------46
5.2提高冷加工质量---------------------------------------48
5.2.1 提高表面光洁度-----------------------------------48
5.2.2 提高锥面的加工精度-------------------------------49
5.3材料选用改进-----------------------------------------49
5.4改进热处理工艺---------------------------------------50
5.4.1 工艺改进设想-------------------------------------50
5.4.2 试验方法-----------------------------------------50
5.4.3 试验结果-----------------------------------------52
5.4.4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。在平衡状态下，如果受到某种干扰，则: