07第七章汽车零件失效分析

零件失效是指零件部分或完全丧失工作能力的现象。汽车零件失效理论是汽车维修的基本理论，主要研究零件丧失工作能力的原因、特征和规律；研究其失效的分析技术和预防技术，进而找出改进设计制造和使用技术，延长零件使用寿命。零件失效的总的原因有工作条件、设计制造和使用维修等方面的原因。工作条件主要包括应力状态、温度、环境介质、润滑情况，粗暴使用等；设计制造原因主要包括零件结构是否合理，材料选择是否合适，制造是否有缺陷，是否有应力集中等；维修方面的原因主要包括配合副的配合情况、是否按期的进行维护、零件修理是否造成零件缺陷和损伤等。零件失效模式磨损疲劳腐蚀变形老化1汽车零件失效的概念及分类1.磨损由于相对运动引起的零件表面材料不断损耗的现象称为磨损。磨损是零件最常见的损伤形式。（1）摩擦与润滑按摩擦副间的润滑状态，摩擦分为：干摩擦、流体摩擦、边界摩擦三种。干摩擦--在汽车上，一般将摩擦副表面间完全没有润滑油或其他润滑介质时的摩擦称为干摩擦。在干摩擦条件下，摩擦表面直接接触，由于零件表面分子吸引和机械啮合作用，消耗较多的动力，并将其转化成为有害的摩擦热。同时，干摩擦往往伴随着强烈的摩擦副表面磨损，所以一般不希望在汽车上发生固体摩擦。金属材料一旦出现干摩擦，必然引起粘着（2）流体摩擦流体摩擦，又称液体润滑，是相对运动的摩擦副表面间不直接接触，而被一层厚1.5～2.0μm以上的润滑油膜完全隔开的摩擦。由于两摩擦表面不直接接触，产生的摩擦为润滑油分子之间的内摩擦，因而摩擦系数很小，通常为0.001～0.008,从而有效地降低了磨损，改善了摩擦副的工作性能，是最理想的一种润滑形式。汽车典型的流体摩擦：曲轴轴承、凸轮轴轴承、发动机增压器轴承等流体摩擦的形成条件：a.合适的楔形间隙。只有在合适的楔形间隙处才可能形成流体摩擦，间隙过大不能建立足够的油压；间隙过小不能保证最小的油膜厚度，均不能形成流体摩擦。b.良好的润滑条件。是指润滑油要有合适的粘度和油性，而且建立足够的油压。c.运动速度足够。只有保证足够的运动速度，才能建立承受载荷的油压，才能将轴托起。为了保证良好的流体摩擦，要合理选择润滑油，保证润滑油良好的油性、合适的粘度、足够的清洁。（3）边界摩擦边界摩擦是指摩擦表面被润滑油边界膜隔开的摩擦。由于流体摩擦形成条件苛刻，很多摩擦副不具备其形成条件，大部分摩擦副的润滑形式为边界摩擦。极性的润滑油分子吸附在零件表面上既形成边界膜。所以边界摩擦很容易形成，是极为普遍的润滑形式，如发动机活塞环和气缸壁、配气机构的凸轮与挺杆、齿轮传动副的齿面等。边界膜有物理膜和化学膜两种。2.零件磨损按照磨损机理，磨损可以分为：磨料磨损粘着磨损疲劳磨损腐蚀磨损摩擦表面由于硬质颗粒引起的磨损称为磨料磨损。于发动机而言，磨料的主要来源为空气、燃油、机油；零件表面磨下来的磨屑；燃烧的积碳和胶质等。在维修使用的避免或减缓磨料磨损速度的主要措施是：加强发动机三滤，即对燃油、机油和空气的滤清，定期的更换三滤；定期的更换机油和对润滑系统进行不解体清洗；维修装配时确保清洁，避免磨料进入摩擦副。（1）磨料磨损（2）粘着磨损粘着磨损是指由于粘着作用使一个零件表面的金属转移到另一零件表面的磨损。由于粘着磨损有两件表面材料的转移，所以是一种极其恶劣的磨损形式，一旦发生粘着磨损，就会引起零件报废，所以在机械中应该绝对避免这种磨损。拉缸和抱瓦既是典型的粘着磨损。粘着磨损的机理摩擦副零件表面粗糙不平，实际接触面积极小，在相对运动中接触点会发生塑性变形并生热，使接触点发生熔化或软化时（热粘）；当零件表面的氧化膜被擦去，金属原子直接接触时（冷粘），即发生粘着，继续运动粘着点发生撕脱，即发生粘着磨损。从机理可以看出，粘着磨损可分为热粘和冷粘。热粘是由于高温引起的，冷粘是由于零件表面的金属原子直接接触引起的。（3）表面疲劳磨损在滚动或滚动加小滑动摩擦中，在交变的表面接触应力反复作用下使零件表面发生脱落的现象，称之为疲劳磨损。疲劳磨损主要与材料的硬度、表面粗糙度、零件表面或表层缺陷、润滑油粘度、表面应力、相对滑动等有关。使用维修中降低疲劳磨损的主要措施是控制载荷和合理选择润滑油。汽车上典型的疲劳磨损件有各种滚动轴承、气门工作锥面和齿轮齿面。（4）腐蚀磨损。零件表面被腐蚀，腐蚀层被磨去再腐蚀再磨去的反复过程称为疲劳磨损。按照机理，疲劳磨损分为化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损。典型的电化学腐蚀磨损为汽缸的低温磨损，发动机温度低，在汽缸壁上会吸附一层水膜，水膜溶解燃烧废气中的酸性气体，如SO2和其他的酸性气体。这些物质均会腐蚀汽缸壁，引起腐蚀磨损，所以发动机应避免低温运行。（5）穴蚀由于零件表面与液体之间发生相对运动引起的磨损称为穴蚀。典型的穴蚀是湿式汽缸套外表面，严重的穴蚀能将缸套穴蚀透。（6）微动磨损在静配合处由于微小移动引起的磨损称为微动磨损。如干式汽缸套外圆与乘孔、曲轴轴承外圆与轴承乘孔等均会产生微动磨损。微动磨损是磨料磨损、氧化磨损、疲劳疲劳和粘着磨损共同作用的结果。影响微动磨损的主要因素是静配合处相对振幅的大小。维修中要保证静配合处的过盈量，减小配合表面的振幅。3.零件磨损特性曲线一般汽车零件的磨损过程，即从开始工作直至最后失效，其磨损量与工作时间具有一定的规律性，这种普遍存在的规律性，即零件的磨损特性。由于机械加工获得的零件摩擦表面比较粗糙，使实际接触面积很小，实际接触点上的接触压力极高。且新配合副的配合间隙较小，良好润滑油膜还没有形成。这就使得走合期的零件磨损率较高。随着走合期的进展，两摩擦表面配合状况迅速改善，实际接触面积迅速增加，使真实接触点上的接触压力降低。配合间隙的增大和表面形状的改善也都有利于润滑油膜的形成和润滑条件的改善，是磨损率锐减，磨损也趋于正常。汽车零件经过走合期后就进入了正常工作期。由于零件已经过了初期走合阶段，摩擦表面真实接触面积，表面几何形状，摩擦副配合间隙都处于理想状态，因而磨损率最低，且一般为一不变的常数Ⅱ段)。因此，正常工作期中汽车零件的磨损量随行驶里程或使用时间的增加而缓慢增加，两者之间呈线性关系。Ⅲ阶段是汽车零件的极限磨损期。使用中的汽车零件进入该时期后，由于配合副间隙已达到或超过极限值，使零件表面间冲击载荷增大，而且由于间隙过大，使润滑油流失严重，流体润滑油膜极易遭到破坏，从而使零件的磨损率急剧增大，磨损量也因此大幅度增加。若不加修理而继续使用，则势必使汽车零件的磨损由正常磨损转化为事故性磨损，造成零件迅速损坏，技术状况急剧变坏，工作能力迅速下降。4.典型汽车零件的磨损及其对策（1）气缸—活塞环的磨损及其对策由于气缸磨损是判断发动机是否需要大修的主要依据，因此研究气缸—活塞环这对摩擦副的磨损特点及规律，找出对策，无疑对提高发动机乃至整车的大修间隔里程有着极重要的意义。①气缸磨损的特点正常情况下，气缸表面沿其高度方向在活塞环运动区域内形成不均匀的磨损，磨损成上大下小的锥形。气缸壁最大磨损的部位，是当活塞位于行程上止点时第一道活塞环所对应的缸壁处。气缸沿圆周方向的磨损呈不规则的椭圆形，即出现较大的圆度误差，其各方向的磨损量往往相差3~5倍。最大磨损虽在气缸沿其高度方向磨损最大的截面内，但具体方位随车型、发动机结构设计、使用条件等的不同而异。对正常情况下的顶置气门发动机而言，一般偏于做功行程受侧压力大的一侧。②气缸高度方向上锥形磨损原因分析a.工作气体压力的影响。b.气缸壁温度和润滑条件的影响。c.进气磨料的影响。d.腐蚀性产物的影响。e.摩擦副相对运动速度的影响。③降低气缸磨损速度的主要技术措施a.严格执行走合期的各项规定，防止早期不正常磨损b.正确使用车辆d.严格控制修理质量c.严格的执行维护制度