汽车零部件疲劳失效分析

汽车零部件的疲劳失效分析报告人：冯继军单位：东风汽车公司商用车技术中心工艺研究所时间：2010年6月地点：杭州2主要内容疲劳失效分析基础金属材料疲劳断裂的定义、特点金属疲劳的分类疲劳失效的过程汽车零部件疲劳失效特点引起汽车零件疲劳失效的原因疲劳失效的过程疲劳失效的特征：载荷的影响汽车零部件疲劳失效案例轴类零件杆类零件管件类零件弹簧类零件齿轮类零件螺栓类零件301案例-EQ6102增压喷射泵联结轴01案例-EQ6102增压喷射泵联结轴03案例-连通轴04案例-横拉杆05案例-转向垂臂销子06案例-高压油泵柱塞套失效分析07案例-增压器回油管失效分析与改进08案例-客车钢板弹簧09案例-调整臂弹簧10案例-无声链条11案例-六档齿轮12案例-后桥主减主动轮13案例-变速箱太阳轮14案例-变速箱中间轴常啮合齿轮15案例-42CrMo螺栓16案例-减振器螺栓案例4疲劳失效分析基础定义：许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力反复循环作用以后，也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳。金属材料疲劳断裂的定义、特点特点：1）载荷应力是交变的；2）载荷的作用时间较长；3）断裂是瞬时发生的；4）无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。所以，疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。5金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：1）高周疲劳：指在低应力（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限）条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。2）低周疲劳：指在高应力（工作应力接近材料的屈服极限）或高应变条件下，应力循环周数在10000~100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。3）接触疲劳：这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落，从而造成机件失效破坏。4）腐蚀疲劳：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质（如酸、碱、海水、活性气体等）的共同作用下，所产生的疲劳破坏。5）热疲劳：指由于温度变化所产生的热应力的反复作用，所造成的疲劳破坏。金属疲劳的分类6汽车零部件疲劳失效特点1.疲劳失效是汽车零部件最主要的失效形式，约占全部失效分析案例的40%。2.断裂前没有可见裂纹、功能改变等预兆。3.疲劳失效导致的损失巨大。4.可以预防。设计、生产、使用、维护人员具备相关疲劳失效知识，可以减少1/3以上的损失。7设计疲劳强度准则、应力集中、危险截面…材料冶金缺陷带状晶粒度夹杂物第二相粒子锻造比加工冷加工：刀痕冷挤压磨削烧伤冷作硬化锻造折叠脱碳过烧流线热处理热处理裂纹、变形超指标、残余应力过大、组织不合格、性能不合格、脆性焊接外观缺陷、气孔和夹渣、裂纹、熔蚀、内应力使用保修里程力矩保持意外冲击环境极端温度连续高负荷腐蚀环境引起汽车零件疲劳失效的原因：8疲劳失效分析基础疲劳失效的过程：9疲劳失效分析基础疲劳失效的特征：载荷的影响10疲劳失效断口图谱（举例）11疲劳失效案例－轴类零件作用：连接、传递扭矩、承受弯矩受力：扭转、弯曲、接触应力典型零件：曲轴凸轮轴变速箱二轴、一轴半轴摇臂轴轮毂轴连通轴各类连接轴、输出轴特点：零件不同部位的受力要求相差很大，需要在不同部位进行表面处理等手段。喷射泵联接轴案例轮毂半轴连通轴12疲劳失效案例－杆类零件作用：连接、承受弯矩或承受拉力受力：单向或双向弯曲、部分零件存在接触应力特点：形状复杂，多孔、多台阶等大多要求调质处理典型零件：前轴横向稳定杆直拉杆变速器操纵杆球头拉杆转向节臂转向横拉杆案例转向垂臂销子13疲劳失效案例－管类零件典型零件：后桥壳、车轮、轮毂轴管、半轴套管、传动轴各类油管（不锈钢薄壁管、高压油管）、柱塞套柱塞套失效分析案例燃油回油管管类零件在汽车上大致有两类：一类用作结构件，在应力主要是分布在分布在零件外表面的情况下，如传动轴管等，或者其内部还需要安放其它零件，如桥壳、半轴套管等；另一类用作功能件，主要承担一些特定的功能，如各类油管等，这些零件多承受其内管壁的脉动压力、汽车运行过程中的振动力等。管类零件的受力、制造工艺、用材等共性较少。但其断口分析具有一定共性。由于零件都为薄壁件，裂纹的起源、扩展过程具有一定的共性。14疲劳失效案例－弹簧类零件钢板弹簧螺旋弹簧扭力杆钢板弹簧服役条件：汽车悬架系统中的弹性元件，其作用主要有：1.传力作用。传递车桥与车架之间载荷。2缓冲作用。缓冲来自车轮的冲击力。3.导向作用。当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，使车轮按一定轨迹相对于车架和车身跳动。工作中作用在钢板弹簧上的载荷主要有：1.来自汽车车架的垂直压力以及由此产生的来自车桥的反向支承力。当车桥和车架相互远离时，钢板弹簧所受的这一垂直载荷和变形逐渐减小，有时甚至会反向。2.由于路面不平等原因引起的振动而对簧片产生的扭曲力。3.钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间相对滑动而产生的摩擦力与接触应力。基本性能要求：高的抗拉强度极限、屈服极限、弹性极限和疲劳极限，同时要求具有高的冲击韧性和塑性。此外，还要求具有一定的抗腐蚀性能。15关键部位：1.主片卷耳处。此处受力较大，是板簧薄弱处。为改善主片卷耳受力情况，常将第二片末端也完成卷耳，包在主片卷耳外面。2.对于多片等截面板簧，簧片分布并不均匀，其应力最大处，也是其危险截面，一般容易在此处产生疲劳断裂。3.上簧片与下片末端接触处，此处更容易产生接触疲劳。4.中心螺栓孔处，容易产生热处理缺陷以及因为螺栓松动引起的疲劳断裂。主要失效形式：钢板弹簧最常见的失效形式是弯曲疲劳断裂。在腐蚀介质作用下，可能产生腐蚀疲劳断裂。当钢板弹簧片与片之间的接触不正常时，可能产生接触疲劳断裂。当中心螺栓松动时，容易在螺栓孔处发生疲劳断裂。钢板弹簧16螺旋弹簧调整臂弹簧汽车上的螺旋弹簧主要用于减震、关闭（或打开）、储力等。螺旋弹簧压紧或伸长过程中，杆身受扭转、拉伸作用，其内径表面受力最大。因此对表面质量特别敏感。表面喷丸客车板簧失效分析案例无声链条17疲劳失效案例－齿轮类零件1.齿轮是汽车上最重要的传动零件。广泛应用于发动机、变速箱、后桥、转向系等各大系统以及各种水泵、油泵等等。2.重载齿轮一般做渗碳处理。还有感应淬火、氰化、氮化、等表面处理工艺。3.表面要求耐磨、抗接触应力。高硬度、压应力分布、硬质相、自润滑。4.齿轮不同部位要求差异很大。螺纹部、轴承部、齿轮部5.弯曲疲劳失效：齿部抗弯强度、表面压应力层、表面质量、弯矩（接触区）6.接触疲劳失效：表面硬度、表面质量、表明应力分布、残奥、碳化物、接触应力、接触区、运动轨迹。18材料：渗碳钢（淬透性）中碳合金钢奥贝球铁粉末冶金工艺：渗碳、感应淬火、氰化、氮化硬化层深控制心部硬度控制六档齿轮失效分析后桥主减主动轮太阳轮齿面剥落中间轴常啮合齿轮案例19疲劳失效案例－螺栓类零件普通螺栓高强度螺栓原材料：热处理状态拉拔或切削流线齿形：齿顶、齿根脱碳表面处理摩擦系数清洁度装配顺序、装配扭矩、轴向力端面接触印迹力矩松驰42CrMo螺栓案例减振器螺栓20Thankyou!