1、第二章汽车零件失效理论 第一节汽车失效规律一 汽车技术状况的变化1 汽车技术状况的分类表征汽车技术状况的参数分为两大类 一类是结构参数 另一类是技术状况参数 结构参数是表征汽车结构的各种特性的物理量 如几何尺寸 声学 电学和热学的参数等 技术状况参数是评价汽车使用性能的物理量和化学量 如发动机的输出功率 扭矩 油耗 声响 排放限值和踏板自由行程等 1 汽车完好技术状况 指汽车完全符合技术文件规定要求的状况 即技术状况的各种参数值 2 汽车不良技术状况 汽车不符合技术文件规定的任一要求的状况 称为汽车不良技术状况 2 汽车的工作能力与汽车故障汽车按技术文件规定的使用性能指标 执行规定功能的能力
2、称为汽车的工作能力 或称为汽车的工作能力状况 3 汽车技术状况变化的外观症状 1 汽车动力性变差 如接近大修里程的汽车的加速时间将增加25 35 发动机的有效功率和有效扭矩低于原设计规定的75 2 汽车燃料消耗量和润滑油耗量显著增加 3 汽车制动性能变差 4 汽车操纵稳定性能变差 5 汽车排放和噪声超限 6 汽车在行驶中出现异响和异常振动 存在着引起交通事故或机械事故的隐患 7 汽车的可靠性变差 使汽车因故障停驶的时间增加 二 汽车失效规律1 汽车技术状况变化的类型可分为两大类 一类是变化过程具有确定的形式 即逐进性 一类是变化过程没有确定的形式 即突发性 1 渐进性 2 突发性三 汽车失效的
3、主要原因1 汽车零件的耗损2 使用条件对汽车技术状况的影响 1 道路条件的影响 道路状况和断面形状等决定了汽车及总成的工况 载荷和速度域 传递的扭矩 曲轴转速 换档次数 以及道路不平所引起的动载荷 从而决定汽车零部件和机构的磨损情况 影响汽车的工作能力 2 运行条件的影响 主要指交通流量对汽车运行工况的影响 如载货汽车在城市街道上速度较郊区要降低50 以上 发动机曲轴转速反而升高35 左右 换档次数增加2 2 5倍 显然 这种工况必然加速汽车技术状况的恶化进程 3 运输条件的影响 城市公共汽车经常处于频繁起步 加速 减速 制动和停车为主的典型的非稳定工况下工作 如曲轴转速和润滑系油压不能与载荷
4、协调一致地变化 恶化了配合副的润滑条件使零件的磨损较稳定工况大大加剧 4 气候条件的影响1 环境温度的影响 图2 1 3表明有一个故障率最低的环境气象温度 图2 1 4也表明有一个气缸磨损最小的冷却液温度 2 环境湿度和风速的影响 环境的湿度大 极易恶化汽车的运行条件 加速零件的腐蚀 湿度低 气候干操 道路灰尘多 也会恶化汽车零件的工作环境 磨损增加 汽车静止不动 风速为10 12m s时 汽车主要总成的润滑抽 专用液的冷却速度较无风时加快1 5 2倍 5 维修水平的影响 我国的大修发动机耐久性普遍较差 在其主要影响因素中 维修水平低 维修设备落后和维修质量差约占40 第二节汽车零部件失效分析
5、一 汽车失效类型按失效模式分类 汽车失效可分为磨损 疲劳断裂 变形 腐蚀及老化等五类 磨损 包括磨料磨损 粘着磨损 疲劳磨损 腐蚀磨损 微动磨损 如汽缸工作表面 拉缸 曲轴 抱轴 齿轮表面和滚动轴承表面的麻点 凹坑等 疲劳断裂 含高应变低周期疲劳 低应力高周期疲劳 腐蚀疲劳 热疲劳等 如 曲轴断裂 齿轮轮齿折断等 腐蚀 含化学腐蚀 电化学腐蚀 穴蚀 如湿式汽缸套外壁麻点 孔穴等 变形 弹性变形 塑性变形 如曲轴的弯曲 扭曲 基础件变形 汽缸体 变速器壳体 驱动桥壳 等 老化 龟裂 变硬 如橡胶轮胎 塑料器件的老化 二 汽车零件磨损1 汽车零件的摩擦 1 概念 两物体相对运动使其接触表面间产生运
6、动阻力的现象称为摩擦 该阻力称为摩擦力 2 种类 按零件表面润滑状态的不同 摩擦可分 干摩擦 液体摩擦 边界摩擦和混合摩擦四类 1 干摩擦 摩擦表面间无任何润滑介质隔开时的摩擦称为干摩擦 2 液体摩擦 两摩擦表面被润滑油完全隔开时的摩擦称为液体摩擦 3 边界摩擦 两摩擦表面被一层极薄润滑油膜隔开时的摩擦称为边界摩擦 4 混合摩擦 两摩擦表面间干摩擦 液体摩擦和边界摩擦混合存在时的摩擦称为混合摩擦 2 汽车零件的磨损 1 概念 零件摩擦表面的金属在相对运动过程中不断损失的现象称为零件的磨损 磨损的发生将造成零件形状尺寸及表面性质的变化 使零件的工作性能逐渐降低 但磨损有时也是有益的 如 磨合 2
7、 分类 依摩擦原理的不同 磨损可分为 磨料磨损 粘着磨损 疲劳磨损和腐蚀磨损 1 磨料磨损 摩擦表面间存在硬质颗粒引起的磨损 称为磨料磨损 这种硬质颗粒称为磨料 它主要来自空气中的尘土 润滑油中的杂质及运动过程中从零件表面脱落下来的金属颗粒 磨料磨损的形式 疲劳剥落或塑性挤压 磨料夹在两摩擦表面之间 将对金属表面产生集中的高应力 使零件表面产生疲劳和剥落 如磨料进入齿面间 常会发生疲劳和剥落 对于塑性材料 将使表面产生塑性挤压现象 如磨料进入轴承间易发生塑性挤压 擦痕 混合在气体和液体中的磨料 随流体以一定的速度冲刷零件的工作表面 并产生擦痕 如柴油机喷油嘴的针阀偶件 磨料摩擦的影响因素 磨料
8、在摩擦表面间所经历的距离 磨料与金属表面间的相互作用力 零件硬度 磨料硬度 磨料颗粒的大小 减轻磨料磨损的措施 汽车发动机的磨料磨损主要是空气中的磨料造成的 空气中的磨料主要是尘土和沙粒 因此要有滤清效果好的空气滤清器 燃油滤清器 对于柴油的滤清作用要求更严 润滑油滤清 经常清洗机油滤清器 增加零件的抗磨性能 提高零件表面的硬度 使表面硬度尽可能高于磨料的硬度 以提高零件的耐磨性 2 粘着磨损 当金属表面的油膜被破坏 摩擦表面间直接接触而发生粘着作用 使一个零件表面的金属转移到另一个零件表面引起的磨损称为粘着磨损 它主要是由于金属表面负荷大 温度高而引起的 粘着磨损的作用机理 由于零件间的微观
9、不平 实际接触面积小 接触处承受很大的静压力即凸起点的切向冲击力 接触点的油膜 氧化膜被破坏 纯金属直接接触 产生一定的弹性变形和塑性变形 零件间吸引力增强 同时 摩擦所产生的局部高温也将导致接触点处发生组织变化 软化甚至熔化 引起粘附及熔合 在随后的运动中 粘结点又将被从其薄弱部位撕开 使强度较小的零件表面被撕去部分金属 并粘附到强度较大零件表面上 从而造成了零件的粘着磨损 粘着磨损的影响因素 材料特性的影响 脆性材料比塑性材料的抗粘性能好 零件表面粗糙度的影响 光滑程度越高 磨损量越小 润滑油的影响 要保证足够的润滑油 并保证润滑油的粘度和工作温度 使配合零件表面不发生干摩擦 零件表面的氧
10、化膜不易被破坏 运动速度和单位面积上压力的影响 零件的运动速度越高 摩擦热产生越多 负荷越大 摩擦力越大 越易产生粘着磨损 3 疲劳磨损 在交变载荷作用下 零件表层产生疲劳剥落的现象称为疲劳磨损 它主要发生在纯滚动及滚动与滑动并存的摩擦状态下 如齿轮齿面 分类 非扩展性和扩展性疲劳磨损 非扩展性疲劳磨损由于周期性的接触压应力作用 摩擦表面上出现小麻点 但随着接触面积的扩大 单位接触面积降低小麻点停止扩大 扩展性疲劳磨损当材料塑性较差时 在接触表面作用有较大的压应力 使表面产生小裂纹 并扩展而使金属脱落 形成小麻点和扩展成凹坑 使零件不能继续工作 疲劳磨损机理 由于交变载荷的反复作用 使零件表层
11、因为反复的弹性及塑性变形而疲劳 导致表层的薄弱部位首先产生微裂纹 同时当润滑油浸入裂纹内部时 若零件的滚动方向与裂纹的方向一致 当滚动体封闭裂纹口时 堵在裂纹里的润滑油在滚动挤压力的作用下 对裂纹有劈开的作用 使裂纹的扩展速度加快 当裂纹扩展到一定程度后 便从零件表层剥落下来 在零件表面上形成点状或片状凹坑 成为疲劳磨损 4 腐蚀磨损 零件摩擦表面由于外部介质的作用 产生化学或电化学的反应而引起的磨损称为腐蚀磨损 类型 化学腐蚀磨损 电化学腐蚀磨损 微动磨损 穴蚀 化学腐蚀磨损 由于金属直接与外部介质发生化学反应而引起的磨损称为化学腐蚀磨损 电化学腐蚀磨损 由于金属在外部介质中发生电化学反应而
12、引起的磨损称为电化学腐蚀磨损 微动磨损 零件的过盈配合表面部位在交变载荷或震动的作用下所产生的磨损称为微动磨损 穴蚀 与液体相对运动的固体表面 因气泡破裂产生的局部高温及冲击高压所引起的疲劳剥落现象称为穴蚀 3 影响汽车零件磨损的因素及磨损规律 1 影响汽车磨损的因素 磨损通常是由多种磨损形式共同作用造成的 其磨损强度与零件的材料性质 加工质量及工作条件等因素有关 1 材料性质的影响不同材料由于其成分 组织 结构不同 抵抗磨损的能力也不同 如碳钢件的耐磨性随硬度的提高而提高 铸铁件耐磨性则取决于含碳量 如若在钢铁中加入一定的合金元素及进行适当的热处理 均可提高零件的耐磨性 2 加工质量的影响零
13、件的加工质量主要指其表面粗糙度及几何形状误差 几何形状误差过大 将造成零件工作中受力不均 或产生附加载荷 使磨损加剧 表面粗糙度过大 会破坏油膜的连续性 造成零件表面的凸起点的相互咬合 同时腐蚀物质更易沉积于零件表面 使腐蚀磨损加剧 3 工作条件的影响工作条件是指零件工作时的润滑条件 滑动速度 单位压力及工作温度等 2 汽车零件磨损规律零件的磨损是不可避免的 工作条件不同 引起零件磨损的原因也就不同 但各种零件的磨损却都具有一定的共同规律 这种规律称为零件磨损特性 遵循该磨损规律的曲线称为磨损特性曲线 从图2 2 1中可以看出 零件磨损可分为三个阶段 1 第一阶段 磨合期 oa段 由于新零件及
14、修复件表面较为粗糙 工作时零件表面的凸起点会划破油膜 在零件表面上产生强烈的刻划 粘接等作用 同时从零件表面上脱落下来的金属及氧化物颗粒会引起严重的磨料磨损 所以该阶段的磨损速度较快 随着磨合时间的增长 零件表面质量不断提高 磨损速度相应降低 2 第二阶段 正常工作期 ab段 经过磨合期的磨合 零件的表面粗糙度降低 适油性及强度增强 所以在正常工作期零件的磨损变得非常缓慢 3 第三阶段 极限磨合期 曲线b点以后 磨损的不断积累 造成的极限磨损期零件的配合间隙过大 油压降低 正常的润滑条件被破坏 零件之间的相互冲击也随着增加 零件的磨损急剧上升 此时如不及时进行调整或修理 会造成事故性损坏 三
15、汽车零件腐蚀1 化学腐蚀失效机理金属零件与介质直接发生化学作用而引起的损伤称为化学腐蚀 2 电化学腐蚀失效机理电化学腐蚀是两个不同的金属在一个导电溶液中形成一对电极 产生电化学反应而发生腐蚀的作用 使充当阳极的金属被腐蚀 3 汽车零件的老化橡胶 塑料制品和电子元件等汽车用零件 随着时间的增长 原有的性能会逐渐衰退 为老化现象 四 汽车零件的疲劳零件在交变应力作用下 经过较长时间工作而发生的断裂现象称为疲劳断裂 1 疲劳断裂失效的分类根据零件的特点及破坏时总的应力循环次数 疲劳失效可按图2 2 3所示分类 2 疲劳断裂失效机理金属零件疲劳断裂实质上是一个累积损伤过程 大体上可划分为滑移 裂纹成核
16、 微裂纹扩展 宏观裂纹扩展 最终断裂几个过程 1 疲劳裂纹的萌生 2 疲劳裂纹的扩展 3 疲劳断口宏观形貌特征 1 疲劳源区 2 疲劳裂纹扩展区 3 瞬时断裂区4 提高汽车零件抗疲劳断裂的方法 1 延缓疲劳裂纹萌生时间 2 降低疲劳裂纹扩展的速率 1 止裂孔法2 扩孔清除法3 刮磨修理法 3 提高疲劳裂纹门槛值 k长度 五 汽车零件变形零件在使用过程中 由于承载或内部应力的作用 使零件的尺寸和形状改变的现象称为零件的变形 零件变形失效的类型有弹性变形失效 塑性变形失效和蠕变失效 零件在外力作用下发生弹性挠曲 其挠度超过许用值而破坏零件间相对位置精度的现象 称为弹性变形失效 零件的工作应力超过材料的屈服极限因塑性变形而导致的失效称为塑性变形失效 蠕变是指材料在一定应力 或载荷 作用下 随时间延长 变形不断增加的现象 3 疲劳断口宏观形貌特征 1 疲劳源区 2 疲劳裂纹扩展区 3 瞬时断裂区4 提高汽车零件抗疲劳断裂的方法 1 延缓疲劳裂纹萌生时间 2 降低疲劳裂纹扩展的速率 1 止裂孔法2 扩孔清除法3 刮磨修理法 3 提高疲劳裂纹门槛值 k长度
