齿轮油泵
齿轮油泵轴的失效分析及优化设计：
主动齿轮轴.DWG
从动轴齿轮.dwg
金相图.doc
齿轮油泵.dwg
齿轮油泵轴的失效分析及优化设计.doc
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。
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:
(1)若负荷减小，转速上升，则柴油机的输出扭矩减小，结果外界负荷的阻力扭矩大于柴油机的扭矩，柴油机就会降速，向稳定转速恢复，回复到平衡位置。
(2)若负荷增加，转速下降，则柴油机的输出扭矩增大，柴油机的转速就会上升，重新回复到平衡位置。
综上所述，无论受到什么样的干扰，总有一种回复到平衡位置的作用力存在，
这种力就是通过油泵改变每个循环的喷油量来实现的。其过程是:柴油机通过提前器等部件把扭矩传递给油泵凸轮轴，带动凸轮轴转动，凸轮轴转动时通过挺柱体推动柱塞上升，通过改变柱塞斜槽的位置调节喷油量。
图1-1发动机的稳定平衡状态
整个油泵的结构如图1-2所示。轴在油泵中位于泵体的下部，由两个圆锥滚子轴承支承，其前端装有一提前器，后端与调速器相连。轴上有若干个凸轮(与发动机汽缸数相同，本课题研究的对象为6个凸轮)，中部还有一个驱动输油泵的偏心轮。凸轮外形采用缓降切线，故轴不能反转使用。柴油机工作时通过提前器等部件把动力传递给凸轮轴的驱动端，由驱动端带动整个油泵工作，因此轴工作时驱动端受力最大，轴断裂基本上也都发生在驱动端。轴的断裂是机械失效模式的一种，因此有必要对失效分析的一些机理及方法作一介绍。
1. 3.机械失效模式及失效分析
1. 3. 1，机械失效模式
机械失效就是机械零件在服役过程中丧失其规定的功能不能继续可靠地服役。一般有三种形式:C1)完全丧失功能，如零件的断裂。(2)功能退化，如达不到原设计指标(3)严重的损伤不能保证可靠性和安全性。根据失效的表现形式，通常可将实际中发生的各种失效现象分为三大类:断裂、表面损伤和过量变形。
1. 3. 1. 1.断裂失效
根据零件断裂前的变形不同，可将断裂分为塑性断裂和脆性断裂两类。脆性断裂包括疲劳断裂、应力腐蚀断裂、氢脆和静载延迟断裂等，但疲劳断裂和静载延迟断裂与一般断裂又不尽相同，因此可将疲劳断裂和静载延迟断裂从脆性断裂中独立出来。这样，断裂失效可分为四种类型:
1.塑性断裂失效。塑性断裂失效是指断裂前宏观上经过明显塑性变形的断裂。
2.脆性断裂失效。脆性断裂失效是指断裂前宏观上没有明显变形的断裂。
3.疲劳断裂失效。疲劳断裂失效是指零件在交变载荷作用下产生的断裂。在断裂失效中，疲劳断裂占有很大的比重。根据载荷、变形的不同，劳断裂可分为高周疲劳断裂、低周疲劳断裂、冲击疲劳断裂等类型。凸轮轴的断裂从宏观断口初步分析即属于此类断裂。
4.静载延迟断裂失效静载延迟断裂失效是零件在静载荷和环境(如腐蚀、温度、幅照等)的联合作用下而引起与时间有关的断裂失效如应力腐蚀、氢脆、蠕变断裂等。
1. 3.1 2.表面损伤失效
零件的表面损伤失效可由腐蚀和磨损而引起。腐蚀是指零件表面在周围介质作用下山于化学变化、电化学变化或物理溶解而引起的破坏。磨损、是指零件表面在互相接触的状态下运动因摩擦等因素引起的金属小颗粒逐渐从表面脱落的一种破坏现象。轴凸轮表面的失效模式即为磨损失效，但不作为本课题研究的内容。
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