齿轮油泵轴的失效分析及优化设计.doc

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1、课题名称 齿轮油泵轴的失效分析及优化设计 专业名称 机械制造及其自动化 学生姓名 专业班级 学生学号 指导老师 设计时间：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

2、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

3、，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

4、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-111.1油泵的发展历史及国内外现状-121.2油泵系统-121.2.1油泵的作用-121.2.2油泵的组成及工作原理-121.3机械失效模式及分析-141.3.1机械失效模式-141.3.2机械断裂失效的危害性-151.3.3失效分析的步骤及方法-161.4小结-17第2章 轴-192.1轴的结构及工况-192.1.1 凸轮轴的结构-192.1.2 凸轮轴的工况-202.2轴的技术条件-202.2.1 冷加工主要技术要求-212.2.2

5、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-253.1强度校核原始条件-253.2轴扭矩计算-253.2.1 计算工况-253.2.2 凸轮轴受力分析-26 3.2.3 外载荷与惯性力Pj计算-273.3弯矩的计算-283.3.1 侧向力F2的计算-283.3.2 弯矩的计算-283.4危险截面应力的计算-283.4.1 最大切相力计算-293.4.2 最大正应力的计算-313.4.3 主应力计算-313.5安全系数校核-323.5.1 锥柱面交接截面校核-333.5.2 键槽截面校核-343.6小结-34第4章 综合分析-344.1断裂性质分析-354.

6、2断裂原因综合分析-364.2.1 疲劳源产生的因素-364.2.2 疲劳裂纹扩展原因分析-394.3小结-45第5章 改进措施-465.1设计改进-465.1.1提高强度储备-465.1.2优化结构设计-465.2提高冷加工质量-485.2.1 提高表面光洁度-485.2.2 提高锥面的加工精度-495.3材料选用改进-495.4改进热处理工艺-505.4.1 工艺改进设想-505.4.2 试验方法-505.4.3 试验结果-525.4.4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

7、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

8、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

9、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

10、，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

11、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: (

12、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

13、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

14、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

15、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。

16、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。 1. 3. 1. 3.过量变形失效 过量变形失效是指零件在载荷作用下其尺寸和形状的变化超过了所允许的范围从而导致零件不能完成预定的功能或妨碍了其他零件的正常运行。过量变形失效分为由于零件的刚度不足或因温度升高而引起弹性模量降低而造成的弹性变形失效和由于外加应力超过零件的屈服极限而造成的塑性变形失效两种。1. 3. 2.机械断裂失效的危害性 断裂是工程构件最危险的失效方式。断裂不仅能造成重大经济损失而且往往导致机毁人亡的灾难性后果。特别是航空、航天、原子能、汽车和拖拉机、动力机械和化工机械等，由断裂造成的事故屡见不鲜。例如:1973年

17、英国德贝夏马坎山煤矿由于刹车杆疲劳断裂造成竖井罐笼坠毁失事，死亡18人川。1967年美国西弗吉尼亚一桥梁由于一拉杆孔边缘由于应力腐蚀、疲劳或腐蚀疲劳形成裂纹造成的脆性断裂失事，死亡46人 0 1982年美国标准局估计，断裂失效在美国每年能造成1190亿美元的损失。其中很大一部分断裂可以通过现代防断裂技术的应用加以防止，从而可挽回超过600亿美元的损失,我国每年因断裂造成的损失也十分巨大，仅就大型电站锅炉的过热器、省煤器、水冷壁和再热器管的爆漏一项统计，四管的爆漏导致大型火电机组的停用约占非计划停用时间的40%，占锅炉设备非计划停用时间的70%。因此，对机械零件进行失效分析，研究断裂的规律和机理

18、，减少和避免断裂的发生，一直是工程技术人员努力的目标。正因为如此，本课题对凸轮轴进行断裂失效分析，具有十分重要的经济效益和社会效益。1. 3. 3.失效分析的步骤及方法 由于机器零件的失效严重危及人们的生命财产安全，迫使人们不得不开展对各种失效过程进行分析研究，以求弄清失效的本质、产生的原因以及预防的措施。本课题对轴失效分析的核心是找出引起其失效的原因与对策。1. 3. 3. 1失效分析的程序及步骤 任何失效分析原则上都可以分为现场调查、实验室分析研究和失效的事后处理三个阶段H。失效分析的基本程序框图如图1-3所示。1.调查阶段该阶段的主要目的是了解失效的过程，收集断口，通过宏观分析或残骸拼凑

19、分析等，初步确定或判断首先断裂的主断口、断口的性质和失效的类型等。并收集与失效有关的背景资料:如有关的说明书、图纸、零件的加工工艺、服役历史以及操作记录等，以备综合分析时参考。2.实验室分析研究实验室分析研究的目的是为确定断裂的性质、失效的类型、引起失效的原因提供充分的证据。根据凸轮轴的断裂情况，实验室研究主要包含以下内容: (1).宏观断口分析:用肉眼或借助放大倍数约10倍的放大镜进行。通过宏观断 口分析，进一步确定主断口，判断断口的性质，寻找裂纹源等，为其它分析作准备。 (2).金相检验:用以进行裂纹分析和材料的组织分析，确定引起凸轮轴断裂失效的内部原因。 (3)化学分析:确定断裂凸轮轴的

20、实际化学成分是否合格。 (4)机械性能分析:用以测定断裂齿轮轴的实际机械性能是否符合设计要求。 (5)扫描电镜分析:用以确定断口的微观断裂机制。 (6)应力分析:采用理论计算确定齿轮轴所受应力的大小，并进行强度校核。 对实验得出的各种结果，进行最后的综合分析，将设计、材料与工艺相结合，结构强度与材料强度相结合，宏观与微观相结合，试验室规律性试验与生产实际相结合。对于重大的失效分析，还要进行模拟试验或台架试验，以证实分析结果是否正确。本课题限于时间，不再进行模拟试验。3.失效事后处理 本阶段主要是对失效分析的过程、失效原因和预防措施进行总结，提出失效分析报告。1. 3. 3. 2.失效分析的方法

21、 在失效分析中，零件失效与引起失效的原因之间可以用很多种方法联系起来，对于各种原因之间有一定的逻辑关系或各种原因之间需用定量关系进行评价时，可采用故障树法;若各种原因之间没有一定的逻辑关系则可采用故障树的演变产物-鱼骨图法也称特征要因图法进行。 所谓“特征”，是指失效或异常现象，“要因”是指引起失效或故障的因素及原因。“特征”用主杆箭头表示，“要因”用分支箭头表示，就构成了特征要因图或失效鱼骨图。特征要因图与故障树法相比，其优点是不用考虑各因素之间的逻辑关系，因而绘制起来比较灵活。在国外，尤其是日本，特征要因图广泛应用于产品质量管理和失效分析中。近几年来，在我国也得到了广泛的应用。本课题研究中

22、采用失效分析鱼骨图即特征要因图的方法。对凸轮轴的断裂原因的分析主要从以下几方面考虑:原材料、设计、冷热加工工艺、装配及使用等。具体的失效分析的鱼骨图如图1-4所示。根据测试分析结果，消去不存在因素，留下来的因素即为凸轮轴断裂失效的原因。1.4小结1.油泵中关键零件凸轮轴的早期断裂导致油泵失效，使柴油机无法正常运转，给生产带来严重的经济损失。2. 齿轮轴断裂属于机械失效。机械失效分析方法拟采用特征要因图法。失效分析可通过调查研究、实验室分析和事后处理三个阶段进行。图1-3 失效分析基本程序图 图1-4 齿轮轴断裂失效分析鱼骨图第二章齿轮轴本章着重介绍分析凸轮轴的原始条件、服役工况及加工过程。2.

23、 1. 齿轮轴的结构及工况 图2-1齿轮轴结构示意图2. 1. 1. 齿轮轴的结构 如第一章图1-2所示，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。2. 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

24、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。2. 2. 齿轮轴的技术条件2. 2. 1冷加工主要技术要求1

25、.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8002.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. 4士a. z二的圆角。3.锥面与圆柱面交界处要求平滑过渡。2. 2. 2。热处理技术要求2. 2. 2. 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

26、，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

27、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

28、。然后再重新加热淬火。2.2.2.2.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，

29、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。2. 2. 2. 3.硬度及渗碳层深度1.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y。在热处理生

30、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601IRCo磨削加工后的成品凸轮表面要求大于58HRCo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

31、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。2.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

32、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

33、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. Ommo磨削加工后要求渗碳层大于0. 9mmo表2-2 按照载荷的大小选择渗碳硬化层深度2.2.2.4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。

34、2.3齿轮轴的加工过程由于齿轮轴的形状复杂，为了提高材料的利用率，采用棒料锻造成型或热挤成型，成型后正火，热处理正火的目的是为了消除由于锻造造成的各种缺陷，均匀和细化锻造组织，消除锻造应力，保持一定的硬度范围，得到良好的切削加工性能和高的表面光洁度。正火后进行粗加工，粗加工结束后再进行热处理渗碳。由于长时间的渗碳常在零件表面产生各种缺陷如表面网状碳化物和较大的变形，所以渗碳后还须进行一次正火和校直，正火后重新加热淬火。又由于齿轮轴是细长零件淬火后也会产生较大的变形，因此还需要进行校直，校直后再进行回火，回火结束后再对两端锥体部位进行高频退火，至此热处理工序全部结束，然后转入磨削加工，直到磨成成

35、品。整个加工流程如图2-3所示。图2-3 齿轮轴的加工流程图2.4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。第三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

36、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。3.1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,o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

37、。 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。3.2 齿轮轴扭矩计算3.2.1 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=353.2.2齿轮轴受力分析齿轮轴的受力简图如图3-1 图3-1 齿轮轴受力简图如图所示，可得： F1=P/cosa由平衡条件： Y=0，得： P=Ra+Rb Z=0,得： F1=Ra-Rb+Ptana Mx=0,得: M

38、r=F1*Smy=0F2*L1=Rb*L 式中： P垂直外力总和 Ra、Rb-两端轴承对齿轮轴支座垂直反力 Ra,Rb-两端轴承对齿轮轴支坐水平反力 F1-滚轮对齿轮的作用力 Mr-驱动扭矩 S-F1到齿轮中心的距离 S=（R+r+h）*sina R-齿轮基圆半径 r-滚轮半径 h-计算位置的齿轮升程 h=5.2986mm L-两轴承支坐之间的距离 L1-计算截面到轴承支坐的距离3.2.3.外载荷与惯性力PJ计算PPG+AP，十PJ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3.2.3.1柱塞作用力Pp泵端压力p。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 PN=pm d2/4=4249. 07N lbar=1.02 X 9. 8 X 10-ZN/mm3.4 3.2柱塞弹簧作用力PZ设弹簧刚度为K K =3. 67 X 9. 8 N/mm，在计算位置处弹簧的压缩量为7. 3mma故 Px -K -262. 5N3.2.3.3惯性力Pf取油泵转速，1500rpm时的加速度进行计算 p=Wa/g式中: g-重力加速度 a-运动