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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，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。关键词：轴，表面涂防,断裂分析，网状碳化物，疲劳强度，AbstractWith the vigorous development of the automobile industry, the security and reliability requirements for motor vehicles and parts will continue development to improve the event of a failure, as the heart of the automotive engine parts oil pump, ranging from causing the car broke down, while causing a fatal car crashbring serious harm to human life and property. Gear oil pump shaft fracture is one of the oil pump most likely to fail. In recent years, with the end of the injection pressure of the oil pump convex and continuously improve, shaft breakage more frequently, not only bring huge economic losses to the oil pump manufacturers, also severely damaged the social reputation of the oil pump manufacturers. Therefore, as soon as possible to identify the reasons for shaft fracture and put forward the corresponding measures for improvement is imminent, with important economic and social effects. This topic is of Fracture Failure Analysis of gear oil pump shaft and proposed countermeasures.【Key word】Axis；Surface coated with anti-axis；Fracture Analysis；Carbide network；Fatigue strength目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1本次毕业设计的意义11.2油泵的发展历史及国内外现状21.3油泵系统3第2章 齿轮泵简介52.1齿轮泵的工作原理52.2齿轮泵的结构特点6第3章 齿轮轴结构分析73.1齿轮泵的结构及工况73.2齿轮轴的技术条件83.3小结11第4章 应力分析124.1强度校核原始条件124.2齿轮轴扭矩计算124.3弯矩的计算154.4危险截面应力的计算164.5安全系数校核194.6小结20第5章 齿轮轴设计的改进措施215.1设计改进215.2提高冷加工质量215.3材料选用改进225.4改进热处理工艺235.5小结23总 结24参考文献25III毕业设计开题报告课题名称: 齿轮油泵轴的失效分析及优化设计 二级学院（系） 机械工程学院 专 业 数控技术 班 级 姓 名 学 号 指导教师 1选题意义、研究现状及存在问题：齿轮泵是在工业应用中运用极其广泛的重要装置之一，尤其是在液压传动与控制技术中占有很大的比重，它具有结构简单、体积小、重量轻、自吸性能好、耐污染、使用可靠、寿命长、制造容易、维修方便、价格便宜等特点。但同时齿轮泵也还存在一些不足，如困油现象比较严重、流量大和压力脉动较大、径向力不平衡、泄露大、噪声高及易产生气穴等缺点，这些特征和缺点都直接影响着齿轮泵的质量。随着齿轮泵在高温、高压、大排量、低流量脉动、低噪音等方面发展及应用，对齿轮泵的特性研究及提高齿轮泵的安全和效率已成为国内外深入研究的课题。早在二千多年前，人类就发明了齿轮泵传动装置。早期的齿轮采用木料或金属铸造成形，只能传递两轴问的回转运动，不能保证传动的平稳性，承载能力也很小。随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。 1674年丹麦天文学家罗默首次提出用外摆线作齿廓曲线，以得到运转平稳的齿轮。 18世纪工业革命时期，齿轮技术得到高速发展，人们对齿轮进行了大量的研究。 1733年法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律；1765年瑞士数学家L.Euler建议采用渐开线作齿廓曲线。渐开线圆柱齿轮自L.Euler提出后，特别是19世纪出现的滚齿机和插齿机，解决了渐开线齿轮的大量生产和精度问题，使渐开线齿轮取得了在工业界的绝对优势地位。在科学技术飞速发展的今天，齿轮传动作为机械传动的重要组成部分，由于其传动功率大、效率高、结构紧凑、传动比精确、传动平稳等优点而被广泛应用在化工、汽车、船舶、航空、能源等国民经济的重要领域中。齿轮泵作为齿轮在工业中应用的一种重要装置，在液压传动与控制技术中占有很大比重，其主要特点是结构简单、体积小、重量轻、自吸性好、耐污染、使用可靠、寿命较长、制造容易、维修方便、价格便宜。但渐开线型齿轮泵也有不少缺点，主要是流量和困油引起的压力脉动较大、噪声较大、排量不可变、高温效率低等。这些缺点在某些结构经过改进的齿轮泵上己得到了很大的改善。近年来，齿轮泵的工作压力有了很大提高，额定压力可达到25Mpa，最高压力可达31.5Mpa。另外，产品结构也有不少改进，特别是三联、四联齿轮泵的问世，部分地弥补了齿轮泵不能变量的缺点。而复合齿轮泵的出现使齿轮泵的流量均匀性得到了很大的改善。其使用领域也在不断扩大，许多过去使用柱塞泵的液压设备也已改用齿轮泵（如工程起重机等）。提高齿轮泵的工作压力是齿轮泵的一个发展方向，而提高工作压力所带来的问题是：(1) 轴承寿命大大缩短；(2) 泵泄漏加剧，容积效率下降。产生这2个问题的根本原因在于齿轮上作用了不平衡的径向液压力，并且工作压力越高，径向液压力越大。目前，国内外学者针对以上2个问题所进行的研究是：(1) 对齿轮泵的径向间隙进行补偿；(2)减小齿轮泵的径向液压力，如优化齿轮参数、缩小排液口尺寸等；( 3) 提高轴承承载能力，如采用复合材料滑动轴承代替滚针轴承等。但这些措施都没从根本上解决问题。2、课题的技术方案设计1.收集齿轮油泵相关资料，阅读参考文献，确定技术方案。2.利用CAD绘制出齿轮油泵的总装配图。3.对齿轮油泵进行综合的分析。4.绘制齿轮油泵各个零件的CAD图。5.根据零件的设计过程进行总结，撰写毕业论文。6.答辩 完成课题还应具备以下条件条件1.大量阅读本课题的相关书籍及查阅资料，具备机械制图相关条件的能力。2.具有对零件产品的结构分析及工作原理的基础。3.自身AutoCAD的软件绘图造型装配综合应用水平。4.机械制造基础、工程材料、公差配合及机械零部件测绘等专业课程的掌握程度。5.要具有较好的分析和解决问题的能力。3工作进度计划第1周 (12.24.2012-12.28.2012) 分析油泵的组成及工作原理，收集参考资料，完成毕业设计开题报告第2周 (12.31.2012-1.4.2013) 完成轴的失效形式分析， 第3周 (1.7.2013-1.11.2013) 完成轴的结构优化设计及改进第4周 (1.12.2013-1.18.2013) 完成装配图第5周 (2.25.2013-3.1.2013) 完成零件图绘制第6周 (3.4.2013-3.8.2013) 完成毕业设计说明书第7周 (3.11.2013-3.15.2013) 完成毕业设计说明书并准备答辩第8周 (3.18.2013-3.22.2013) 完成答辩任务4参考文献l藤尺英也川和静男.著.徐家龙.译.柴油机燃油喷射M.北京:机械工业出版社1992 1-92无锡威孚集团公司柴油喷射装置培训教材无锡19983陈凌.关于齿轮轴断裂问题的探讨油泵技术M.陕西汉中:汉江油泵油嘴厂技术情报室10-304土大伦，赵德寅，郑伯芳.著.轴及紧固件的失效分析M.北京:机械工业出版社21-355西安交通大学金属材料及热处理教研室.机器零件的失效与预防M.西安：西安交通大学出版社30-456黄明志，石德坷，金志浩.金属力学性能M.西安：西安交通大学出版社7渗碳、碳氮共渗、氮化零件金相组织检验标准第三机械工业部8牟卫萍.测定20Cr钢渗碳层深度方法的比较实验室研究与探索M.上海9邓增杰，周敬恩.工程材料的断裂与疲劳M.北京：机械工业出版社15-3310 Mott N T.Atheory of the origin of fatigue cracks. Acta Metall. 1958,11 Lindley TC Richards CE and Ritchie RO.The mechanics and mechanisims of fatigue cracks growth in metals. In:Pro. Conf. Mechanics andPhysics of Tracture. Cambridge:Inst. Of Physics and Metals Society.1975,12 徐颧，疲劳强度设计M.北京：机械工业出版社44-6813上海市机械制造工艺研究所金相分析技术 14上海交通大学，金属断口分析M.北京；国防工业出版社51-5715 Fine M E arid Ritchie R 0 Fatigue crack initiation and near-threshold指导教师意见： 指导教师： 年 月 日二级学院（系）毕业设计工作委员会意见： （盖章） 年 月 日第一章 绪论1.1本次毕业设计的意义齿轮泵是液压传动系统中常用的液压元件，在结构上可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵两大类。外啮合齿轮泵的优点是结构简单、尺寸小、重量轻、制造维护方便、价格低廉、工作可靠、自吸能力强、对油液污染不敏感等。外啮合齿轮泵是应用最广泛的一种齿轮泵(称为普通齿轮泵)，其设计及生产技术水平也最成熟。多采用三片式结构、浮动轴套轴向间隙自动补偿措施、铝合金壳体径向“扫膛”工艺，并采用平衡槽以减小齿轮(轴承)的径向不平衡力。目前，这种齿轮泵的额定压力可达2.5Mpa。正因为其诸多特点引起了多人对其进行研究。齿轮泵结构简单，加工方便，体积小，重量轻，且有自吸能力强、对油液污染不敏感等特性，因而应用较为广泛。齿轮泵的主要缺点是径向液压力不平衡，轴承寿命短；流量脉动大，噪声高。另外，其排量不可调节，使用范围受到限制。国内外有关齿轮泵的研究主要集中在以下几个方面。 (1)齿轮参数及泵体结构的优化设计；(2)补偿面及齿间油膜的计算机辅助分折；(3)油冲击及啮合措施，齿轮泵的困油现象对齿轮泵乃至整个液压系统都产生了很大的危害。困油冲击与齿轮啮合的重叠系数及啮合是否完全等有很大关系(包括卸荷槽的位置、形状及面积等)；(4)齿轮泵噪声的控制技术；(5)降低齿轮泵的流量脉动的方法，由于齿轮泵的流量脉动较大，在一些要求较高的液压系统中，很少采用齿轮泵。关于降低齿轮泵流量脉动的方法已有很多，如合理选择齿轮的参数；采用剖分式齿轮；采用多齿轮等；(6)轮齿表面涂覆技术及其特点；(7)轮齿弯曲应力及接触疲劳强度的计算，齿轮泵的轮齿弯曲应力及接触疲劳强度计算与一般齿轮转动的弯曲应力及接触疲劳强度计算是有区别的；(8)齿轮泵的变量方法研究 ；(9)齿轮泵的寿命及其影响因素。 1.2齿轮泵的发展历史及研究现状 早在二千多年前，人类就发明了齿轮传动装置。早期的齿轮采用木料或金属铸造成形，只能传递两轴间的回转运动，不能保证传动的平稳性，承载能力也很小。随着生产的发展，齿轮运转的平稳性受到重视。1674年丹麦天文学家罗默首次提出用外摆线作齿廓曲线，以得到运转平稳的齿轮。18世纪工业革命时期，齿轮技术得到高速发展，人们对齿轮进行了大量的研究。1733法国数学家卡米发表了齿廓啮合基本定律；1765年瑞士数学家LEuler建议采用渐开线作齿廓曲线。渐开线圆柱齿轮自L.Euler提出后，特别是19世纪出现的滚齿机和插齿机，解决了渐开线齿轮的大量生产和精度问题，使渐开线齿轮取得了在工业界的绝对优势地位。在科学技术飞速发展的今天，齿轮传动作为机械传动的重要组成部分，由于其传动功率大、效率高、结构紧凑、传动比精确、传动平稳等优点而被广泛应用在化工、汽车、船舶、航空、能源等国民经济的重要领域中。齿轮泵作为齿轮在工业中应用的一种重要装置，在液压传动与控制技术中占有很大比重，其主要特点是结构简单、体积小、重量轻、自吸性好、耐污染、使用可靠、寿命较长、制造容易、维修方便、价格便宜。但渐开线型齿轮泵也有不少缺点，主要是流量和困油引起的压力脉动较大、噪声较大、排量不可变、高温效率低等。这些缺点在某些结构经过改进的齿轮泵上己得到了很大的改善。近年来，齿轮泵的工作压力有了很大提高，额定压力可达到25MPa，最高压力可达31.SMPa。另外，产品结构也有不少改进，特别是三联、四联齿轮泵的问世，部分地弥补了齿轮泵不能变量的缺点。而复合齿轮泵的出现使齿轮泵的流量均匀性得到了很大的改善。其使用领域也在不断扩大，许多过去使用柱塞泵的液压设备也已改用齿轮泵(如工程起重机等)。外观上，2003年，由美国哥伦比亚大学学者surest Babe Kasaragad在研究一种结构相同而啮合齿轮齿数不等的外啮合齿轮泵流量脉动的情况下，通过数学手段分析，当增加泵的自然谐波时，能设计出一种主动齿轮齿数多、从动齿轮齿数少的齿轮泵，该齿轮泵的排量及流量脉动振幅没减少但在结构设计方面与传统齿轮泵相比具有外形简单，体积更小的特点。不过，齿轮泵也有不少缺点，主要是流量和困油引起的压力脉动较大，噪声较大，排量不可变，高温效率较低。这些缺点在某些结构经过改进的齿轮泵上，己得到很大的改善。江苏工业学院祝海林教授等人针对现有高粘度齿轮泵结构单一、径向力不平衡、轴承受力大造成磨损严重、流量及压力脉动大等问题，综合行星传动及齿轮泵原理，提出了将外啮合与内啮合两种结构相结合构成高粘度复合齿轮泵的设想，阐述了新型齿轮泵的结构及性能特点，得出了理论排量的计算公式。研究表明:新型齿轮泵的高低压腔对称、齿轮与轴受力平衡。它具有内泄漏小、轴承及泵的寿命长、输出排量成倍增加而流量脉动小等显著优点，具有良好的产业化前景。齿轮泵可分为外啮合和内啮合两大类，国外某些工业发达国家齿轮泵的产量在液压泵中占有很大比重与外啮合齿轮泵相比内啮合齿轮泵以其体积小，重量轻、噪声低、自吸性能好、流量脉动小等优点而倍受重视，其产量在齿轮泵的总产量中占有很大比例。一些发达国家内啮合与外啮合齿轮泵的产量比接近于1:1。齿轮泵是我国最早生产的液压元件之一，压力从0.5MPa至25Mpa(最高压力达到31.SMpa)，流量从3umin至400L/min的齿轮泵均有生产;我国的内啮合齿轮泵产量不大，特别是内啮合摆线齿轮泵和其它非渐开线齿廓啮合齿轮泵，基本还处于初级阶段。目前，我国的齿轮泵产品性能还比较低，与国外同类产品相比，还有不小的差距。1.3齿轮泵的发展趋势液压传动系统正向着快响应、小体积、低噪声的方向发展。为了适应这种要求，齿轮泵除积极采取措施保持其在中低压定量系统、润滑系统等的霸主地位外，尚需向以下几个方向发展：(1)高压化高压化是系统所要求的，也是齿轮泵与柱塞泵、叶片泵竞争所必须解决的问题。齿轮泵的高压化工作已取得较大进展，但因受其本身结构的限制，要想进一步提高工作压力是很困难的，必须研制出新结构的齿轮泵。这方面，多齿轮泵将有很大优势，尤其是平衡式复合齿轮泵。 (2)低流量脉动 流量脉动将引起压力脉动，从而导致系统产生振动和噪声，这是与现代液压系统的要求不符的。降低流量脉动的方法，除了前面所介绍的措施外，采用内啮合齿轮泵及多齿轮泵(如复合齿轮泵)将是一种趋势 。(3)低噪声 国外早就有“安静”的液压泵之说。随着人们环保意识的增强 对齿轮泵的噪声要求也越来越严格。齿轮泵的噪声主要由两部分组成，一部分是齿轮啮台过程中所产生的机械噪声，另一部分是困油冲击所产生的液压噪声 前者与齿轮的加工和安装精度有关，后者则主要取决于泵的卸荷是否彻底。对于外啮台齿轮泵，要实现完全卸荷是很困难的，因此进一步降低泵的噪声受到一定的限制。在这方面内啮合齿轮泵因具有运转平稳、无困油现象、噪声低等特点，因此今后将会有较大发展。 (4)大排量对于一些要求快速运动的系统来说，大排量是必需的。但普通齿轮泵排量的提高受到很多因素的限制。这方面，平衡式复台齿轮泵具有显著优势，如1台三惰轮复合齿轮泵的排量相当于6台单泵的排量。(5)变排量齿轮泵的排量不可调节，限制了其使用范围。为了改变齿轮泵的排量，国内外学者进行了大量的研究工作，并取得了很多研究成果。有关齿轮泵变排量方面的专利已有很多，但真正能转化为产品的很少。但不管怎样，齿轮泵的变排量将是一个发展方向。第二章 齿轮泵简介2.1 齿轮泵的工作原理外啮合齿轮泵的工作原理图如图2-1所示： 图2-1齿轮泵工作原理图由图可见，这种泵的壳体内装有一对外啮合齿轮。由于齿轮端面与壳体 端盖之间的缝隙很小，齿轮齿顶与壳体内表面的间隙也很小，因此可以看成将齿轮泵壳体内分隔成 左、右两个密封容腔。当齿轮按图示方向旋转时，右侧的齿轮逐渐脱离啮合，露出齿间。因此这 一侧的密封容腔的体积逐渐增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下经泵的吸油 口进入这个腔体，因此这个容腔称为吸油腔。随着齿轮的转动，每个齿间中的油液从右侧被带到 了左侧。在左侧的密封容腔中，轮齿逐渐进入啮合,使左侧密封容腔的体积逐渐减小，把齿间的油 液从压油口挤压输出的容腔称为压油腔。当齿轮泵不断地旋转时，齿轮泵的吸、压油口不断地吸油 和压油，实现了向液压系统输送油液的过程。在齿轮泵中，吸油区和压油区由相互啮合的轮齿和泵体分隔开来，因此没有单独的配油机构。齿轮泵是容积式回转泵的一种，其工作原理是：齿轮泵具有一对互相啮合的齿轮，齿轮（主动轮）固定在主动轴上，齿轮泵的轴一端伸出壳外由原动机驱动，齿轮泵的另一个齿轮（从动轮）装在另一个轴上，齿轮泵的齿轮旋转时，液体沿吸油管进入到吸入空间，沿上下壳壁被两个齿轮分别挤压到排出空间汇合（齿与齿啮合前），然后进入压油管排出。 齿轮泵的主要特点是结构紧凑、体积小、重量轻、造价低。但与其他类型泵比较，有效率低、振动大、噪音大和易磨损的缺点。齿轮泵适合于输送黏稠液体。2.2 齿轮泵的结构特点齿轮采用具有国际九十年人先进水平的新技术-双圆弧正弦曲线齿型圆弧。它与渐开线齿轮相比，最突出的优点是齿轮啮合过程中齿廓面没有相对滑动，所以齿面无磨损、运转平衡、无困液现象，噪声低、寿命长、效率高。该泵摆脱传统设计的束缚，使得齿轮泵在设计、生产和使用上进入了一个新的领域。 泵设有差压式安全阀作为超载保护，安全阀全回流压力为泵额定排出压力1.5倍。也可在允许排出压力范围内根据实际需要另行调整。但是此安全阀不能作减压阀长期工作，需要时可在管路上另行安装。 该泵轴端密封设计为两种形式，一种是机械密封，另一种是填料密封，可根据具体使用情况和用户要求确定。 2.3 困油现象及卸荷1) 困油现象齿轮泵要平稳工作，齿轮啮合的重合度必须大于1，于是总有两对齿轮同时啮合，并有一部分油液被围困在两对轮齿所围成的封闭容腔之间。这个封闭的容腔开始随着齿轮的转动逐渐减小，以后又逐渐加大。封闭腔容积的减小会使被困油液受挤压而产生很高的压力，并且从缝隙中挤出，导致油液发热，并致使机件受到额外的负载；而封闭腔容积的增大又造成局部真空，使油液中溶解的气体分离，产生气穴现象。这些都将产生强烈的振动和噪声，这就是齿轮泵的困油现象。2) 危害径向不平衡力很大时能使轴弯曲，齿顶与壳体接触，同时加速轴承的磨损，降低轴承的寿命。3) 消除困油现象方法消除困油的方法，通常是在两侧盖板上开卸荷槽，使封闭腔容积减小时通过左边的卸荷槽与压油腔相通，容积增大时通过右边的卸荷槽与吸油腔相通。 第三章 齿轮轴结构分析本章着重介绍分析齿轮轴的原始条件、服役工况及加工过程。3.1.齿轮轴的结构及工况 图3-1齿轮轴结构示意图3.1.1.齿轮轴的结构齿轮轴位于泵体的下部，由两个圆锥滚子轴承支承，其前端与提前器相连，后端与调速器相连，齿轮轴两端为带半圆.键槽的锥体，其中与提前器的内锥面贴合的通常称为驱动端，驱动端通过提前器与联轴器等部件与柴油机连接。另一端通过锥面与调速器相联，称为调速端。齿轮轴的结构及外形。3.1.2.齿轮轴的工况齿轮轴通过提前器、联轴器等部件与柴油机相连。由柴油机及油泵的结构可知，柴油机的动力是通过联轴器、提前器等部件传递给油泵凸轮轴的，具体过程为:柴油机的动力通过齿轮传动把动力传递给联轴器，联轴器把动力传递给提前器，由提前器再把动力传递给凸轮轴的驱动端，提前器与轴间的扭矩传递是靠凸轮轴与提前器的锥面贴合产生的摩擦力来完成的，摩擦正压力靠凸轮轴顶端的螺帽拧紧产生。因此在轴的驱动端要受到扭矩的作用，同时柴油机的扭矩是通过齿轮传递过来的，齿轮会产生侧向力，所以凸轮轴还会受到由于侧向力而产生的弯矩的作用。而凸轮轴的调速端则主要是带动调速器工作，因此受力很小。凸轮轴在两个支承点之间除了受到驱动力矩的作用之外，齿轮轴还不断循环往复地受到泵端压力、柱塞弹簧力和惯性力的作用，因此整根齿轮轴在两个支承点之间除了受到扭转力矩的作用外，还受到弯曲力矩的作用。3.2 齿轮轴的技术条件3.2.1冷加工主要技术要求1.由于轴是靠两锥面贴合的摩擦力来传递扭矩，为了保证有足够的接触面积来传递扭矩，因此工艺要求磨削加工结束后，两个锥面的贴合面积不得小于800。2.轴两端的锥体上开有半圆键槽，在键槽缺口处容易产生应力集中，为了有效地降低应力集中的敏感性及应力集中系数，提高锥体部位的强度，工艺要求半圆键槽的根部有r为0. 4a. z二的圆角。3.锥面与圆柱面交界处要求平滑过渡。3.2.2热处理技术要求1. 材料：由前面齿轮轴的服役工况可知，轴的凸轮部位与锥体部位受力不同，因此热处理后有不同的硬度要求。凸轮部位要求有很高耐磨性，所以该部位要求有很高的硬度，而在锥体部位则要承受循环扭矩和弯矩的作用，因此该部位要求有很好的强韧性结合，所以要求中硬度。为了满足同一零件不同部位的多种硬度要求，在机械设计中，常选用低碳钢通过表面处理来达到要求，凸轮轴即如此材料为20Cr钢，具体的化学成分满足GB3077-880凸轮轴用20Cr钢能很好地满足冷加工工艺性、热处理工艺性、热处理后要达的性能要求。这是因为20Cr钢是在20钢的基础上，为了提高其性能，加入0. 7-1. 00的Cr而成。20Cr钢工艺性能优良，锻造正火后具有良好的切削加工性，下火后的硬度为(156-207) HB。切削性能较好，表面光洁度高。由于铬的加入，提高了钢的淬透性，而且铬又是强化铁素体的元素，溶于铁素体中亦可起强化作用，因此提高了凸轮轴渗碳后的心部强度。由于淬透性提高，在淬火时即可采用较缓和的冷却剂冷却(冷却介质为硝)，从而还可以减小齿轮轴的淬火变形。铬与碳的亲和力较大，又能促使渗碳层表面含碳量趋于饱和，增加碳浓度梯度，使渗碳速度增加，从而使齿轮轴在渗碳和淬火后具有较高的硬度和较好的耐磨性。正是由于碳和铬的亲和力较大，这种钢在渗碳层中易在齿轮轴的表面形成网状碳化物，故渗碳时应严格控制渗碳炉内的气氛碳势。20Cr钢虽然是本质细晶粒钢，但在渗碳温度下长期加热渗碳,晶粒也会显著长大，故齿轮轴渗碳后不能直接淬火。为了克服渗碳带来的各种缺陷，细化晶粒，进一步提高心部的强度及韧性，为后续热处理做组织准备，因此在渗碳后要进行正火。然后再重新加热淬火。2. 热处理工艺要求： 齿轮轴的整个热处理过程为：齿轮轴先渗碳，渗碳后正火，正火后再淬火回火，然后再对轴的锥体进行高频退火。渗碳的目的是通过增加轴表面的碳含量，使齿轮轴在随后的淬火处理后获得很高的表面硬度及耐磨性，满足齿轮表面的技术要求。而在轴的心部仍旧保持了20Cr钢原始的低碳含量，使齿轮轴的心部在淬火处理后仍具有很高的韧性。渗碳后加一道正火工序是为了消除渗碳后形成的网状碳化物等组织缺陷，细化晶粒，进一步提高心部的强韧性，为淬火作组织储备。轴淬火的目的是为了提高表面的硬度、强度、耐磨性，获得合适的组织结构。轴淬火后，虽然具有很高的硬度，但也带来很大的淬火应力，齿轮轴表面淬火后形成的高碳针状马氏体还具有很高的脆性，因此不能直接使用，所以必须通过回火来消除淬火应力，适当的减低强度，减少脆性，提高韧性，同时还可提高尺寸稳定性，这样齿轮表面在渗碳淬火后就可以得到很高的硬度和很高的耐磨性来满足齿轮部位的技术要求。而锥体部位在高频退火后就可以把渗碳淬火后的高硬度降下来，达到中硬度的要求。热处理各工序的工艺参数分别如图z-z所示。3. 硬度及渗碳层深度a.硬度余属的硬度反映了金属抗侵入能力，它不仅与材料的静强度、疲劳强度存在近似的经验关系，还与冷成型性、切削性等工艺性能存在某些联系，因此硬度对于控制材料的冷热加工质量有一定的参考意义。在热处理生产过程中常把硬度作为检验热处理质量的指标之一，同时硬度检测还具有快速直观准确的特点，因此轴也可采用硬度法来检验其热处理质量。由轴的工作原理可知：轴的齿轮在工作时要不断交替推动滚轮仁升，因此齿轮表面在工作时就要不断受到滚轮循环接触应力的作用。因滚轮是采用轴承钢材料经热处理淬火制成的，具有很高的硬度，为了保证与滚轮接触的齿轮表面有足够的硬度和接触疲劳强度，防止早期剥落和磨损而影响轴的正常工作，所以齿轮表面要求有很高的硬度和耐磨性，因此齿轮表面热处理后的硬度要求大于60HRC。磨削加工后的成品凸轮表面要求大于58HRC。从轴的工况分析，我们知道到轴两端的锥体部位主要受到扭矩和弯矩的作用，但在汽车工况突变还会受到一定的冲击载荷的作用，因此轴的锥体部位要求有很好的韧性，但是若过分强调塑韧性而忽略强度硬度要求，就有可能导致强度及多冲抗力不足，所以锥体部位热处理后的硬度要求处于中硬度范围，要求为30-45HRC。一般的工程结构材料处于该硬度范围时具有很好的强韧性。b.渗碳层深度对于进行渗碳处理的零部件其渗碳层的深度会直接影响到它的使用性能，尤其是对于轴等受扭转或弯曲载荷作用的零件，表面应力最大，应力沿半径向心部逐渐减弱。为了使零件能持续工作，要求零件渗层深度能使传递到心部的应力低于心部强度，若应力大于材料的屈服极限，将会产生塑性变形。卸载后渗层弹性变形恢复，而心部却不能恢复，在交变载荷的循环作用下，渗层与心部的交界处就会产生裂纹，并逐步扩展，所以对于心部强度较低的钢，采用增加渗层厚度的办法可显著提高疲劳强度。但渗层深度不可过深，因为渗层深度的增加往往伴随表面碳浓度的提高，致使大块碳化物及残余奥氏体量增加，导致疲劳强度和冲击韧性反而降低。可见根据零件的使用要求，选择合适的渗碳层深度是必要的。日常设计零件的渗碳层深度时，大都采用经验或经验公式计算方法。美国金属学会(ASM)推荐可根据载荷的大小选择渗碳层深度，其参考值如表3-2所示。齿轮轴渗碳层深度的选择既考虑了载荷因素，又兼顾了多年的生产实际经验。由于齿轮轴受交变负荷的作用，所受的力是交变弯扭复合应力，所以要求齿轮轴具有很高的疲劳强度和冲击韧性。齿轮轴的材料是20Cr钢，热处理淬火时以硝盐作为冷却介质，淬火后心部强度不高，为了获得高的疲劳强度及冲击韧性，就要求有足够的渗碳层深度。凸轮轴表面渗碳后渗碳层的深度要求为1.2-2.0mm。磨削加工后要求渗碳层大于0. 9mm。表3-2 按照载荷的大小选择渗碳硬化层深度4. 金相组织齿轮轴是渗碳淬火件，为了保持齿轮表面渗碳后较高的疲劳强度和耐磨性，同时心部能保持足够的强度和韧性，对渗层中的碳化物的形态、分布和大小，残余奥氏体含量及心部的组织都有严格的要求。技术条件要求表面不允许出现网状碳化物及大量的残余奥氏体，心部不能出现大量的未溶铁素体、上贝氏体及魏氏组织等异常组织。3.3小结1. 齿轮轴是油泵的关键部件，它位于泵体的下端，由两个轴承支承，轴上有1个凸轮和1个偏心轮，两端为带有键槽的锥体(锥度为1:5)，其驱动端与提前器相连，调速端与调速器相连。2. 齿轮轴的驱动端受到弯扭复合力的作用，受力最大：调速端受力很小，而在两支承点之间除了受到扭矩的作用外，还要受到泵端压力、柱塞弹簧力和惯性力的作用。3. 齿轮轴采用20Cr材料模锻成型，热处理工艺采用渗碳淬火处理。第四章 应力分析应力分析是根据零件的大小、形状以及载荷等因素，采用理论应力计算或实验验证的方法确定条件中的应力大小，从强度方面分析失效的原因及提出预防措施.本课题中对齿轮轴通过理论应力分析进行强度校核。由于齿轮轴断裂的部位都位于锥柱面交界的锥体处，因此本课题主要对锥体部位进行强度校核。4.1强度校核原始条件 由齿轮轴的结构及工况可知：齿轮轴工作时，要不断推动滚轮上升，滚轮再推动柱塞上升，齿轮轴所受的载荷由泵端压力通过柱塞产生的作用力PP，惯性力PJ，柱塞弹簧力Pz组成，合力为P。合力P通过滚轮作用在凸轮上。 如前所述，锥体部分除了受到柴油机传递过来的驱动扭矩M的作用之外，还要受到柴油机齿轮的侧向分力而产生的弯矩的作用。设侧向力为F1，弯矩为M。齿轮轴工作时驱动端要传递动力，受力最大，也是断裂部位所在端。所以，下面只对驱动端进行强度计算。 从前面的叙述可知，驱动扭矩的循环特征值R0；最小应力很小，可忽略不计。本文按R=0计算，即把驱动扭矩变化按脉动循环处理。4.2 齿轮轴扭矩计算4.2.1 计算工况 取滚轮与齿轮在切线终点处的接触点为计算位置，因为这一位置接近于最大泵端压力出现的位置，并且这一位置角。为最大，因此齿轮轴此时受力最大。本课题所计算得齿轮轴：齿轮升程为11mm。则a+b=60，b=25 所以a=354.2.2齿轮轴受力分析齿轮轴的受力简图如图4-1 图4-1 齿轮轴受力简图如图所示，可得： 由平衡条件： ，得： ，得： ，得： 式中：垂直外力总和 两端轴承对齿轮轴支座垂直反力 两端轴承对齿轮轴支坐水平反力 滚轮对齿轮的作用力 驱动扭矩 到齿轮中心的距离 齿轮基圆半径 滚轮半径 计算位置的齿轮升程 两轴承支坐之间的距离 计算截面到轴承支坐的距离4.2.3.外载荷与惯性力计算式中：P-泵端压力通过柱塞产生的作用力P-柱塞弹簧的作用力P-运动部件的惯性力4.2.3.1柱塞作用力泵端压力。作用在直径为d的柱塞上，泵端压力p=600bar，柱塞直径d=9.5mm，故 4.2.3.2柱塞弹簧作用力设弹簧刚度为，在计算位置处弹簧的压缩量为7.3mm4.2.3.3惯性力取油泵转速，1500rpm时的加速度进行计算 式中: 重力加速度 运动部件加速度 运动部件重量计算可得: 则 代入式(4-1)得:代入式(4-4):得 4.3弯矩的计算 由受力简图可知，除了侧向力F，凸轮轴的驱动端还受到弯矩的作用。4.3.1侧向力的计算 柴油机齿轮传递给油泵凸轮轴的扭矩就是凸轮轴的驱动扭矩，所以齿轮的侧向啮合力为： 式中为齿轮的半径，计算可得 4.3.2弯矩的计算 齿轮啮合力移至齿轮轴轴线上的侧向力，使凸轮轴产生弯曲，驱动端截面上的弯矩为: 式中：齿轮中心到所计算截面的距离，从上式可以看出，当F不变时，弯矩M随着x增加而增加。齿轮轴的锥体部位在圆锥面与圆柱面交界处最大，在该截面上受到的弯矩最大。计算中心截面离齿轮中心的距离，因此，计算可得，该截面所受的弯矩 4.4危险截面应力的计算4.4.1最大切应力计算在计算过程中假设齿轮轴工作时提前器内锥面与齿轮轴锥面处于全面贴合压紧状态，即齿轮轴承受的力矩是在整个锥面范围内通过摩擦力逐渐加上的。为了计算方便，如图4-2把锥体置于直角坐标系中，坐标系原点在锥角顶点，锥台小端半径即齿轮轴锥体小端半径为，其横坐标为,，锥台大端半径即齿轮轴锥体大端为，横坐标为。键槽半径为8mm，键槽垂直于母线方向的最大深度为9. 9mm,键槽的宽度b为5mm。 图4-2 锥台坐标系 首先计算锥体段截面上驱动端的扭矩。设单位面积上的摩擦力为，则摩擦力矩元为，对整个锥面的积分即为急摩擦力矩：式中未知力f可由平衡公式求得： 则 把代入上式可得，锥体任意截面的扭矩为：于是，锥体任意截面上的最大切应力为：式中 x处半径为R的截面扭矩 半径为R处的扭矩截面模量所以： 由式可得：在理想贴合状态下，锥体截曲上最大应力T随半径R增大而增大，即在锥柱面交界受到的应力最大。由此可计算:1.半径为R=10时，即在凸轮轴锥柱面交界处，此处的抗扭截面模量为： 2.考虑键槽的影响，键槽部位的抗扭截面模量应为：所以，在键槽最深处，锥体截面的承载面积最小度代入式计算得: 从以上两个不同位置的应力计算可以看出，凸轮轴在锥体上端锥柱面交接处所受的切应力最大。4.4.2最大正应力的计算1.锥柱面交界处最大正应力在半径为R处的抗弯截面模量所以， 将数据代入，得：2.考虑键槽的影响，键槽部位的抗弯截面模量应为:将数据代入，得：从上面的计算可以看出，凸轮轴锥体上在锥柱面交界处受到的应力最大，即危险截面在锥柱面交界处，这也就说明了断裂为什么主要都发生在锥柱面交界附近。4.4.3主应力计算计算危险截面即锥柱面交界处的主应力，由上己知主应力大小： 将上面数据代入得：主应力方向： 将上面数据代入得：4.5安全系数校核通过应力分析计算，己找出了危险截面在齿轮轴驱动端锥柱面交界处。以下校核它的设计安全系数。通过上述对齿轮轴工况的简化，即假设齿轮轴所受的扭矩为脉动循环，根据材料力学疲劳强度计算理论及凸轮轴本身受力情况、结构特点和加工水平等因素，安全系数校核公式为：扭转疲劳安全系数： 脉动循环应力： 所以， 玩去疲劳安全系数： 对称循环应力： 所以， 弯扭组合疲劳安全系数：式中： ，为材料对称循环疲劳极限 ，为零件有效应力集中系数 ，为零件的尺寸系数 为零件表面状态系数 ，为不对称敏感系数 ,和,分别为循环交变应力的应力幅和平均应力其中， ，4.5.1锥柱面交界截面校核通过查阅有关手册可得:对于齿轮轴经渗碳淬火回火状态下的各项参数为 为表面强化系数 把上述数据代入可得：4.5.2 键槽截面校核 对于齿轮轴在设计时一般取安全系数为n=1.4-1.8。从计算结果来看，计算所得的安全系数均大于许用安全系数，这说明在理想情况下齿轮轴的疲劳强度是足够的。讨论：k:和k。为零件的有效应力集中系数，它与轴上的截面变化，键槽及圆角过渡等因素有密切关系，若键槽存在加工尖角，则会产生应力集中，局部应力增大，从而萌生早期裂纹，最终导致齿轮轴断裂。本凸轮轴键槽圆角设计要求r=0. 4mm，查得应力集中系数k=2. 9。实际测量圆角为：r=0. 2mm，查得k=3. 6。而Bosch公司齿轮轴键槽r=0.6mm，k 2.6。可见，断轴应力集中系数比设计要求的高24%，比Bosch公司产品高38%。因此应力集中是导致齿轮轴早期断裂的主要因素之一。4.6小结1. 齿轮轴受力比较复杂，发生早期断裂的驱动端受扭转、弯曲组合作用。2. 齿轮轴驱动端危险截面为锥柱面交界处。3. 齿轮轴危险截面疲劳强度满足要求，疲劳安全裕度足够。4.应力集中是齿轮轴早期断裂的主要因素之一。第五章 齿轮轴设计的改进措施大致可以把导致齿轮轴疲劳断裂的原因归纳为以下几个方面：设计、冷加工质量(包括表面状态)、热处理质量、装配质量、原材料缺陷和使用情况。本文中我们针对上述原因提出以下一些改进措施。5.1设计改进设计的改进无非就是提高强度储备，即增加设计安全系数和优化结构设计。5.1.1提高强度储备从第三章的计算可知，齿轮轴的设计安全系数大于许用安全系数，说明齿轮轴在现有的服役工况条件下的设计强度己经足够。5.1.2优化结构设计齿轮轴由于结构上的需要，锥体上设计有半圆定位键槽，又由于装配的要求必须有台阶、圆角。截面的突变会产生应力集中，它与零件的几何形状如截面的变化大小、缺口的尖锐程度等密切相关。对于承受交变载荷的零件，应力集中的影响尤为重要，因此，应尽可能地减小应力集中，提高齿轮轴的抗疲劳强度，这就要求设计上更合理地优化结构。为了保证应力集中部位的强度，单纯增加零件表面尺寸，是不合适的，主要应设法改善其局部状况，使应力集中系数降低。对于齿轮轴，可采取的措施有：尽可能加大半圆键槽的圆角过渡。这种方法的效果在Bosch的齿轮轴上得到了有效的证明，Bosch的齿轮轴半圆键槽的底部圆角过渡为R=0.6mm。在齿轮轴锥柱面交界处应尽可能过渡平滑。5.2提高冷加工质量5.2.1提高表面光洁度1400N/mm的三种钢材作过表面光洁度对疲劳极限的影响的试验。其试验结果如表5-1所示.表5-1 表面极限对疲劳强度的影响由表5-1可知，对于的钢材，经铣削的工件疲劳极限仅为抛光的工件的35%。齿轮轴是经过渗碳淬火的高强度零件，因此表面加工光洁度对它的疲劳极限的影响是很严重的。为了提高疲劳极限，在工艺许可的条件，应尽可能提高冷加工的表面光洁度。5.2.2提高锥面的加工精度 齿轮轴工作时是靠联轴器的内锥面与凸轮轴的锥面贴合产生摩擦力来传递扭矩的，从第三章的计算可知，即齿轮轴所传递的全部力矩是力矩元对整个锥面面积的积分。因此齿轮轴为了传递柴油机的全部扭矩，应尽可能加大传递扭矩的锥面面积。若两锥面实际贴合的面积太小，就相当于整个齿轮轴所传递的扭矩只由那一部分较小的贴合面积来承担，这样势必会大大增加实际贴合面上的力矩，若超过一定的极限，会导致锥面的实际贴合面无法承受巨大的扭矩，就会使两贴合锥面产生相对运动，从而使定位导向的半圆键受力，间接地导致键槽受力，致使键槽崩溃变形，或在键槽处萌生裂纹，最终导致凸轮轴断裂。为了保证两锥面有足够的有效贴合面积，必须要严格检查贴合面积。检查方法用红印油涂在被检验的锥面上，看接触面积，接触面积不得小于80%，如不符合要求，轻者可用细研磨砂少量机油，使两配合面互研，严重的必须报废。同时两锥面在装配时应严格清洗，保证无任何杂质残留在配合表面上。5.3材料选用改进对于泵端压力要求特别高的油泵(大于1200bar)， 20Cr材料常常无法满足疲劳强度的要求的条件下；可改用高T值材料。目前国内已有单位改用15CrMn及18CrNiWA钢制造大马力柴油机上油泵齿轮轴。5.4改进热处理工艺从第三章的分析可知，热处理质量的优劣，直接而又严