汽車零部件的疲勞失效分析課件

汽車零部件的疲勞失效分析汽車零部件的疲勞失效分析2主要內(nèi)容疲勞失效分析基礎(chǔ)金屬材料疲勞斷裂的定義、特點金屬疲勞的分類疲勞失效的過程汽車零部件疲勞失效特點引起汽車零件疲勞失效的原因疲勞失效的過程疲勞失效的特征：載荷的影響汽車零部件疲勞失效案例軸類零件桿類零件管件類零件彈簧類零件齒輪類零件螺栓類零件2主要內(nèi)容疲勞失效分析基礎(chǔ)汽車零部件疲勞失效案例301案例-EQ6102增壓噴射泵聯(lián)結(jié)軸01案例-EQ6102增壓噴射泵聯(lián)結(jié)軸03案例-連通軸04案例-橫拉桿05案例-轉(zhuǎn)向垂臂銷子06案例-高壓油泵柱塞套失效分析07案例-增壓器回油管失效分析與改進08案例-客車鋼板彈簧09案例-調(diào)整臂彈簧10案例-無聲鏈條11案例-六檔齒輪12案例-后橋主減主動輪13案例-變速箱太陽輪14案例-變速箱中間軸常嚙合齒輪15案例-42CrMo螺栓16案例-減振器螺栓案例301案例-EQ6102增壓噴射泵聯(lián)結(jié)軸案例4疲勞失效分析基礎(chǔ)定義：許多機械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長時間的應(yīng)力反復循環(huán)作用以后，也會發(fā)生突然脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做金屬材料的疲勞。金屬材料疲勞斷裂的定義、特點

特點：

1）載荷應(yīng)力是交變的；

2）載荷的作用時間較長；

3）斷裂是瞬時發(fā)生的；

4）無論是塑性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂區(qū)都是脆性的。所以，疲勞斷裂是工程上最常見、最危險的斷裂形式。4疲勞失效分析基礎(chǔ)定義：許多機械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載5金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：

1）高周疲勞：指在低應(yīng)力（工作應(yīng)力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限）條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100000以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破壞。高周疲勞一般簡稱為疲勞。

2）低周疲勞：指在高應(yīng)力（工作應(yīng)力接近材料的屈服極限）或高應(yīng)變條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在10000~100000以下的疲勞。由于交變的塑性應(yīng)變在這種疲勞破壞中起主要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。

3）接觸疲勞：這是指機器零件的接觸表面，在接觸應(yīng)力的反復作用下，出現(xiàn)麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機件失效破壞。

4）腐蝕疲勞：指機器部件在交變載荷和腐蝕介質(zhì)（如酸、堿、海水、活性氣體等）的共同作用下，所產(chǎn)生的疲勞破壞。

5）熱疲勞：指由于溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復作用，所造成的疲勞破壞。金屬疲勞的分類5金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：

1）6汽車零部件疲勞失效特點1.疲勞失效是汽車零部件最主要的失效形式，約占全部失效分析案例的40%。2.斷裂前沒有可見裂紋、功能改變等預(yù)兆。3.疲勞失效導致的損失巨大。4.可以預(yù)防。設(shè)計、生產(chǎn)、使用、維護人員具備相關(guān)疲勞失效知識，可以減少1/3以上的損失。6汽車零部件疲勞失效特點1.疲勞失效是汽車零部件最主要的失效7

設(shè)計疲勞強度準則、應(yīng)力集中、危險截面…

材料冶金缺陷帶狀晶粒度夾雜物第二相粒子鍛造比

加工冷加工：刀痕冷擠壓磨削燒傷冷作硬化鍛造折疊脫碳過燒流線

熱處理熱處理裂紋、變形超指標、殘余應(yīng)力過大、組織不合格、性能不合格、脆性

焊接外觀缺陷、氣孔和夾渣、

裂紋、熔蝕、內(nèi)應(yīng)力

使用保修里程力矩保持意外沖擊環(huán)境極端溫度連續(xù)高負荷腐蝕環(huán)境引起汽車零件疲勞失效的原因：7設(shè)計疲勞強度準則、應(yīng)力集中、危險截面…引起汽車零件疲8疲勞失效分析基礎(chǔ)疲勞失效的過程：8疲勞失效分析基礎(chǔ)疲勞失效的過程：9疲勞失效分析基礎(chǔ)疲勞失效的特征：載荷的影響9疲勞失效分析基礎(chǔ)疲勞失效的特征：載荷的影響10疲勞失效斷口圖譜（舉例）10疲勞失效斷口圖譜（舉例）11疲勞失效案例－軸類零件作用：連接、傳遞扭矩、承受彎矩受力：扭轉(zhuǎn)、彎曲、接觸應(yīng)力典型零件：曲軸凸輪軸變速箱二軸、一軸半軸搖臂軸輪轂軸連通軸各類連接軸、輸出軸特點：零件不同部位的受力要求相差很大，需要在不同部位進行表面處理等手段。噴射泵聯(lián)接軸案例輪轂半軸

連通軸11疲勞失效案例－軸類零件作用：連接、傳遞扭矩、承受彎矩典型12疲勞失效案例－桿類零件作用：連接、承受彎矩或承受拉力受力：單向或雙向彎曲、部分零件存在接觸應(yīng)力特點：形狀復雜，多孔、多臺階等大多要求調(diào)質(zhì)處理典型零件：前軸橫向穩(wěn)定桿直拉桿變速器操縱桿球頭拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂轉(zhuǎn)向橫拉桿案例轉(zhuǎn)向垂臂銷子12疲勞失效案例－桿類零件作用：連接、承受彎矩或承受拉力轉(zhuǎn)向13疲勞失效案例－管類零件典型零件：后橋殼、車輪、輪轂軸管、半軸套管、傳動軸各類油管（不銹鋼薄壁管、高壓油管）、柱塞套柱塞套失效分析案例燃油回油管

管類零件在汽車上大致有兩類：一類用作結(jié)構(gòu)件，在應(yīng)力主要是分布在分布在零件外表面的情況下，如傳動軸管等，或者其內(nèi)部還需要安放其它零件，如橋殼、半軸套管等；另一類用作功能件，主要承擔一些特定的功能，如各類油管等，這些零件多承受其內(nèi)管壁的脈動壓力、汽車運行過程中的振動力等。

管類零件的受力、制造工藝、用材等共性較少。但其斷口分析具有一定共性。由于零件都為薄壁件，裂紋的起源、擴展過程具有一定的共性。13疲勞失效案例－管類零件典型零件：柱塞套失效分析案例燃油回14疲勞失效案例－彈簧類零件鋼板彈簧螺旋彈簧扭力桿鋼板彈簧服役條件：汽車懸架系統(tǒng)中的彈性元件，其作用主要有：1.傳力作用。傳遞車橋與車架之間載荷。2緩沖作用。緩沖來自車輪的沖擊力。3.導向作用。當它在汽車上縱向安置并且一端與車架作固定鉸鏈連接時，使車輪按一定軌跡相對于車架和車身跳動。工作中作用在鋼板彈簧上的載荷主要有：1.來自汽車車架的垂直壓力以及由此產(chǎn)生的來自車橋的反向支承力。當車橋和車架相互遠離時，鋼板彈簧所受的這一垂直載荷和變形逐漸減小，有時甚至會反向。2.由于路面不平等原因引起的振動而對簧片產(chǎn)生的扭曲力。3.鋼板彈簧在載荷作用下變形時，各片之間相對滑動而產(chǎn)生的摩擦力與接觸應(yīng)力?；拘阅芤螅焊叩目估瓘姸葮O限、屈服極限、彈性極限和疲勞極限，同時要求具有高的沖擊韌性和塑性。此外，還要求具有一定的抗腐蝕性能。14疲勞失效案例－彈簧類零件鋼板彈簧螺旋彈簧扭力桿15關(guān)鍵部位：1.主片卷耳處。此處受力較大，是板簧薄弱處。為改善主片卷耳受力情況，常將第二片末端也完成卷耳，包在主片卷耳外面。

2.對于多片等截面板簧，簧片分布并不均勻，其應(yīng)力最大處，也是其危險截面，一般容易在此處產(chǎn)生疲勞斷裂。

3.上簧片與下片末端接觸處，此處更容易產(chǎn)生接觸疲勞。

4.中心螺栓孔處，容易產(chǎn)生熱處理缺陷以及因為螺栓松動引起的疲勞斷裂。主要失效形式：

鋼板彈簧最常見的失效形式是彎曲疲勞斷裂。在腐蝕介質(zhì)作用下，可能產(chǎn)生腐蝕疲勞斷裂。當鋼板彈簧片與片之間的接觸不正常時，可能產(chǎn)生接觸疲勞斷裂。當中心螺栓松動時，容易在螺栓孔處發(fā)生疲勞斷裂。鋼板彈簧15關(guān)鍵部位：1.主片卷耳處。此處受力較大，是板簧薄弱處。為16螺旋彈簧調(diào)整臂彈簧

汽車上的螺旋彈簧主要用于減震、關(guān)閉（或打開）、儲力等。螺旋彈簧壓緊或伸長過程中，桿身受扭轉(zhuǎn)、拉伸作用，其內(nèi)徑表面受力最大。因此對表面質(zhì)量特別敏感。表面噴丸客車板簧失效分析案例無聲鏈條16螺旋彈簧調(diào)整臂彈簧汽車上的螺旋17疲勞失效案例－齒輪類零件1.齒輪是汽車上最重要的傳動零件。廣泛應(yīng)用于發(fā)動機、變速箱、后橋、轉(zhuǎn)向系等各大系統(tǒng)以及各種水泵、油泵等等。2.重載齒輪一般做滲碳處理。還有感應(yīng)淬火、氰化、氮化、等表面處理工藝。3.表面要求耐磨、抗接觸應(yīng)力。高硬度、壓應(yīng)力分布、硬質(zhì)相、自潤滑。4.齒輪不同部位要求差異很大。螺紋部、軸承部、齒輪部5.彎曲疲勞失效：齒部抗彎強度、表面壓應(yīng)力層、表面質(zhì)量、彎矩（接觸區(qū)）6.接觸疲勞失效：表面硬度、表面質(zhì)量、表明應(yīng)力分布、殘奧、碳化物、接觸應(yīng)力、接觸區(qū)、運動軌跡。17疲勞失效案例－齒輪類零件1.齒輪是汽車上最重要的傳動零件18材料：滲碳鋼（淬透性）中碳合金鋼奧貝球鐵粉末冶金工藝：滲碳、感應(yīng)淬火、氰化、氮化硬化層深控制心部硬度控制六檔齒輪失效分析后橋主減主動輪

太陽輪齒面剝落

中間軸常嚙合齒輪案例18材料：滲碳鋼（淬透性）六檔齒輪失效分析后橋主減主動輪太19疲勞失效案例－螺栓類零件普通螺栓高強度螺栓原材料：熱處理狀態(tài)拉拔或切削流線齒形：齒頂、齒根脫碳表面處理摩擦系數(shù)清潔度裝配順序、裝配扭矩、軸向力端面接觸印跡力矩松馳42CrMo螺栓案例減振器螺栓19疲勞失效案例－螺栓類零件普通螺栓高強度螺栓汽車零部件的疲勞失效分析汽車零部件的疲勞失效分析21主要內(nèi)容疲勞失效分析基礎(chǔ)金屬材料疲勞斷裂的定義、特點金屬疲勞的分類疲勞失效的過程汽車零部件疲勞失效特點引起汽車零件疲勞失效的原因疲勞失效的過程疲勞失效的特征：載荷的影響汽車零部件疲勞失效案例軸類零件桿類零件管件類零件彈簧類零件齒輪類零件螺栓類零件2主要內(nèi)容疲勞失效分析基礎(chǔ)汽車零部件疲勞失效案例2201案例-EQ6102增壓噴射泵聯(lián)結(jié)軸01案例-EQ6102增壓噴射泵聯(lián)結(jié)軸03案例-連通軸04案例-橫拉桿05案例-轉(zhuǎn)向垂臂銷子06案例-高壓油泵柱塞套失效分析07案例-增壓器回油管失效分析與改進08案例-客車鋼板彈簧09案例-調(diào)整臂彈簧10案例-無聲鏈條11案例-六檔齒輪12案例-后橋主減主動輪13案例-變速箱太陽輪14案例-變速箱中間軸常嚙合齒輪15案例-42CrMo螺栓16案例-減振器螺栓案例301案例-EQ6102增壓噴射泵聯(lián)結(jié)軸案例23疲勞失效分析基礎(chǔ)定義：許多機械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長時間的應(yīng)力反復循環(huán)作用以后，也會發(fā)生突然脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做金屬材料的疲勞。金屬材料疲勞斷裂的定義、特點

特點：

1）載荷應(yīng)力是交變的；

2）載荷的作用時間較長；

3）斷裂是瞬時發(fā)生的；

4）無論是塑性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂區(qū)都是脆性的。所以，疲勞斷裂是工程上最常見、最危險的斷裂形式。4疲勞失效分析基礎(chǔ)定義：許多機械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載24金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：

1）高周疲勞：指在低應(yīng)力（工作應(yīng)力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限）條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100000以上的疲勞。它是最常見的一種疲勞破壞。高周疲勞一般簡稱為疲勞。

2）低周疲勞：指在高應(yīng)力（工作應(yīng)力接近材料的屈服極限）或高應(yīng)變條件下，應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在10000~100000以下的疲勞。由于交變的塑性應(yīng)變在這種疲勞破壞中起主要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。

3）接觸疲勞：這是指機器零件的接觸表面，在接觸應(yīng)力的反復作用下，出現(xiàn)麻點剝落或表面壓碎剝落，從而造成機件失效破壞。

4）腐蝕疲勞：指機器部件在交變載荷和腐蝕介質(zhì)（如酸、堿、海水、活性氣體等）的共同作用下，所產(chǎn)生的疲勞破壞。

5）熱疲勞：指由于溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復作用，所造成的疲勞破壞。金屬疲勞的分類5金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：

1）25汽車零部件疲勞失效特點1.疲勞失效是汽車零部件最主要的失效形式，約占全部失效分析案例的40%。2.斷裂前沒有可見裂紋、功能改變等預(yù)兆。3.疲勞失效導致的損失巨大。4.可以預(yù)防。設(shè)計、生產(chǎn)、使用、維護人員具備相關(guān)疲勞失效知識，可以減少1/3以上的損失。6汽車零部件疲勞失效特點1.疲勞失效是汽車零部件最主要的失效26

設(shè)計疲勞強度準則、應(yīng)力集中、危險截面…

材料冶金缺陷帶狀晶粒度夾雜物第二相粒子鍛造比

加工冷加工：刀痕冷擠壓磨削燒傷冷作硬化鍛造折疊脫碳過燒流線

熱處理熱處理裂紋、變形超指標、殘余應(yīng)力過大、組織不合格、性能不合格、脆性

焊接外觀缺陷、氣孔和夾渣、

裂紋、熔蝕、內(nèi)應(yīng)力

使用保修里程力矩保持意外沖擊環(huán)境極端溫度連續(xù)高負荷腐蝕環(huán)境引起汽車零件疲勞失效的原因：7設(shè)計疲勞強度準則、應(yīng)力集中、危險截面…引起汽車零件疲27疲勞失效分析基礎(chǔ)疲勞失效的過程：8疲勞失效分析基礎(chǔ)疲勞失效的過程：28疲勞失效分析基礎(chǔ)疲勞失效的特征：載荷的影響9疲勞失效分析基礎(chǔ)疲勞失效的特征：載荷的影響29疲勞失效斷口圖譜（舉例）10疲勞失效斷口圖譜（舉例）30疲勞失效案例－軸類零件作用：連接、傳遞扭矩、承受彎矩受力：扭轉(zhuǎn)、彎曲、接觸應(yīng)力典型零件：曲軸凸輪軸變速箱二軸、一軸半軸搖臂軸輪轂軸連通軸各類連接軸、輸出軸特點：零件不同部位的受力要求相差很大，需要在不同部位進行表面處理等手段。噴射泵聯(lián)接軸案例輪轂半軸

連通軸11疲勞失效案例－軸類零件作用：連接、傳遞扭矩、承受彎矩典型31疲勞失效案例－桿類零件作用：連接、承受彎矩或承受拉力受力：單向或雙向彎曲、部分零件存在接觸應(yīng)力特點：形狀復雜，多孔、多臺階等大多要求調(diào)質(zhì)處理典型零件：前軸橫向穩(wěn)定桿直拉桿變速器操縱桿球頭拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂轉(zhuǎn)向橫拉桿案例轉(zhuǎn)向垂臂銷子12疲勞失效案例－桿類零件作用：連接、承受彎矩或承受拉力轉(zhuǎn)向32疲勞失效案例－管類零件典型零件：后橋殼、車輪、輪轂軸管、半軸套管、傳動軸各類油管（不銹鋼薄壁管、高壓油管）、柱塞套柱塞套失效分析案例燃油回油管

管類零件在汽車上大致有兩類：一類用作結(jié)構(gòu)件，在應(yīng)力主要是分布在分布在零件外表面的情況下，如傳動軸管等，或者其內(nèi)部還需要安放其它零件，如橋殼、半軸套管等；另一類用作功能件，主要承擔一些特定的功能，如各類油管等，這些零件多承受其內(nèi)管壁的脈動壓力、汽車運行過程中的振動力等。

管類零件的受力、制造工藝、用材等共性較少。但其斷口分析具有一定共性。由于零件都為薄壁件，裂紋的起源、擴展過程具有一定的共性。13疲勞失效案例－管類零件典型零件：柱塞套失效分析案例燃油回33疲勞失效案例－彈簧類零件鋼板彈簧螺旋彈簧扭力桿鋼板彈簧服役條件：汽車懸架系統(tǒng)中的彈性元件，其作用主要有：1.傳力作用。傳遞車橋與車架之間載荷。2緩沖作用。緩沖來自車輪的沖擊力。3.導向作用。當它在汽車上縱向安置并且一端與車架作固定鉸鏈連接時，使車輪按一定軌跡相對于車架和車身跳動。工作中作用在鋼板彈簧上的載荷主要有：1.來自汽車車架的垂直壓力以及由此產(chǎn)生的來自車橋的反向支承力。當車橋和車架相互遠離時，鋼板彈簧所受的這一垂直載荷和變形逐漸減小，有時甚至會反向。2.由于路面不平等原因引起的振動而對簧片產(chǎn)生的扭曲力。3.鋼板彈簧在載荷作用下變形時，各片之間相對滑動而產(chǎn)生的摩擦力與接觸應(yīng)力?；拘阅芤螅焊叩目估瓘姸葮O限、屈服極限、彈性極限和疲勞極限，同時要求具有高的沖擊韌性和塑性。此外，還要求具有一定的抗腐蝕性能。14疲勞失效案例－彈簧類零件鋼板彈簧螺旋彈簧扭力桿34關(guān)鍵部位：1.主片卷耳處。此處受力較大，是板簧薄弱處。為改善主片卷耳受力情況，常將第二片末端也完成卷耳，包在主片卷耳外面。

2.對于多片等截面板簧，簧片分布并不均勻，其應(yīng)力最大處，也是其危險截面，一般容易在此處產(chǎn)生疲勞斷裂。

3.上簧片與下片末端接觸處，此處更容易產(chǎn)生接觸疲勞。

4.中心螺栓孔處，容易產(chǎn)生熱處理缺陷以及因為螺栓松動引起的疲勞斷裂。主要失效形式：

鋼板彈簧最常見的失效形式是彎曲疲勞斷裂。在腐蝕介質(zhì)作用下，可能產(chǎn)生腐蝕疲勞斷裂。當鋼板彈簧片與片之間的接觸不正常時，可能產(chǎn)生接觸疲勞斷裂。當中心螺栓松動時，容易在螺栓孔處發(fā)生疲勞斷裂。鋼板彈簧15關(guān)鍵部位：1.主片卷