車輛維修工程第二章課件

第二章汽車零件失效理論

第一節(jié)汽車失效規(guī)律

汽車是由近兩萬個具有不同功能的零件，組成執(zhí)行多種規(guī)定功能的總成、機(jī)構(gòu)、部件，按一定的工藝程序和技術(shù)要求裝配成的整體。各總成、機(jī)構(gòu)和部件狀況的綜合，形成了汽車的技術(shù)狀況。所謂汽車的技術(shù)狀況，是定量測得的，表征某一時刻汽車外觀和性能的參數(shù)值的總和。在汽車運(yùn)行過程中，零部件要逐漸喪失原有的或技術(shù)文件所要求的性能，從而引起汽車技術(shù)狀況變差，直至不能履行規(guī)定的功能，即汽車失效。一.汽車技術(shù)狀況的變化

1．汽車技術(shù)狀況的分類表征汽車技術(shù)狀況的參數(shù)分為兩大類，一類是結(jié)構(gòu)參數(shù)，另一類是技術(shù)狀況參數(shù)。

(1)汽車完好技術(shù)狀況(2)汽車不良技術(shù)狀況2．汽車的工作能力與汽車故障

汽車按技術(shù)文件規(guī)定的使用性能指標(biāo)，執(zhí)行規(guī)定功能的能力，稱為汽車的工作能力，或稱為汽車的工作能力狀況。汽車故障是指汽車部分或完全喪失工作能力的現(xiàn)象。因此，只要汽車工作能力遭到破壞，汽車就處于故障狀況。3.汽車技術(shù)狀況變化的外觀癥狀汽車技術(shù)狀況變化往往是汽車處于工作能力狀況又同時處在故障狀況或者完全失去工作能力。汽車技術(shù)狀況變差的主要外觀癥狀有：1)汽車動力性變差2)汽車燃料消耗量和潤滑油耗量顯著增加3)汽車制動性能變差4)汽車操縱穩(wěn)定性能變差5)汽車排放和噪聲超限6)汽車在行駛中出現(xiàn)異響和異常振動，存在著引起交通事故或機(jī)械事故的隱患。7)汽車的可靠性變差，使汽車因故障停駛的時間增加。二、汽車失效規(guī)律

汽車技術(shù)狀況惡化的主要原因，首先是組成汽車的零件間相互作用的結(jié)果；其次是汽車使用與保管的環(huán)境條件的影響；第三是以零件隱傷和過載等為主的偶然因素的作用。1．汽車技術(shù)狀況變化的類型汽車技術(shù)狀況變化的類型分為兩大類：一類是變化過程具有確定的形式，即漸進(jìn)性；一類是變化過程沒有確定的形式，即突發(fā)性。(1)漸進(jìn)性其變化過程可用一個或幾一個時間t確定的函數(shù)來描繪過程各參數(shù)的相互依賴關(guān)系。一般來講，汽車的大部分機(jī)構(gòu)、零部件的技術(shù)狀況都隨行程的延續(xù)而變化，其變化過程的特點是初始狀況隨行程依次平穩(wěn)而單凋地轉(zhuǎn)變到極限狀況,見圖2-1。對于漸進(jìn)性故障，原則上可通過及時的維修措施，防止汽車發(fā)生故障，同時還可通過這一規(guī)律來預(yù)測故障的發(fā)生和對汽車進(jìn)行不解體的檢測。

(2)突發(fā)性汽車技術(shù)狀況的隨機(jī)過程受汽車的使用條件。操作水平、零件材質(zhì)的不均勻性及隱傷等隨機(jī)因素的影響，沒有確定的變化形式，技術(shù)狀況參數(shù)的變化率和變化的特性沒有必然的規(guī)律。機(jī)件進(jìn)入故障狀況的形成是一個隨機(jī)變量，而且與故障的狀況無關(guān)，見圖2-2。三、汽車失效的主要原因

1．汽車零件的耗損

汽車零件的主要失效形式有零件的磨損、零件的變形、零件的疲勞損壞、零件的熱損壞和老化、零件的腐蝕損壞等。2．使用條件對汽車技術(shù)狀況的影響(1)道路條件的影響道路狀況和斷面形狀等決定汽車及總成的工況(載荷和速度、傳遞的轉(zhuǎn)矩、曲軸轉(zhuǎn)速、換擋次數(shù)以及道路不平所引起的動載荷)，從而決定汽車零部件和機(jī)構(gòu)的磨損情況，影響汽車的工作能力。

(2)運(yùn)行條件的影響主要指交通流量對汽車運(yùn)行工況的影響，如載貨汽車在城市街道上的速度較郊區(qū)要降低50％以上，發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速反而升高35％左右；換擋次數(shù)增加2～2.5倍。顯然，這種匯況必然加速汽車技術(shù)狀況的惡化進(jìn)程。(3)運(yùn)輸條件的影響城市公共汽車經(jīng)常處于頻繁起步、加速、減速、制動和停車為主的典型的非穩(wěn)定工況下作，若曲軸轉(zhuǎn)速和潤滑系油壓不能與載荷協(xié)調(diào)一致地變化，惡化了配合副的潤滑條件，則零件的磨損較穩(wěn)定工況將大大加劇。(4)氣候條件的影響1)環(huán)境溫度的影響。圖2－3表明有一個故障率最低的環(huán)境氣象溫度。圖2－4也表明有一個氣缸磨損最小的冷卻液溫度。玩具的世界第二節(jié)汽車零部件失效分析

一、汽車失效類型按失效模式分類，汽車失效可分為磨損、疲勞斷裂、變形、腐蝕及老化等五類。(1)磨損包括磨料磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動磨損，如氣缸工作表面“拉缸”，曲軸“抱軸”，齒輪表面和滾動軸承表面的麻點、凹坑等。(2)疲勞斷裂包括高應(yīng)變低周期疲勞、低應(yīng)力高周期疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞等，如曲軸斷裂、齒輪輪齒折斷等。(3)腐蝕包括化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、穴蝕，如濕式氣缸套外壁麻點、孔穴等。(4)變形包括彈性變形、塑性變形，如曲軸的彎曲、扭曲，基礎(chǔ)件(氣缸體、變速器殼體、驅(qū)動橋殼)變形等。(5)老化包括龜裂、變硬，如橡膠輪胎、塑料器件的老化。

二、汽車零件磨損

1．汽車零件的摩擦(1)概念兩物體相對運(yùn)動使其接觸表面間產(chǎn)生運(yùn)動阻力的現(xiàn)象稱為摩擦，該阻力稱為摩擦力。(2)分類按零件表面潤滑狀態(tài)的不同，摩擦可分為下摩擦、液體摩擦、邊界摩擦和混合摩擦四類。1)干摩擦：摩擦表面間無任何潤滑介質(zhì)隔開時的摩擦，稱為干摩擦。2)液體摩擦：兩摩擦表面被潤滑油完全隔開時的摩擦，稱為液體摩擦。3)邊界摩擦：兩摩擦表面被一層極薄的邊界膜隔開時的摩擦，稱為邊界摩擦。油膜厚度通常只在0.1um以下。

4)混合摩擦：兩摩擦表面間干摩擦、液體摩擦和邊界摩擦混合存在時的摩擦，稱為混合摩擦。

磨料磨損的影響因素：①磨料在孽擦表面間經(jīng)過的距離和速度。②磨料與金屬表面間的相互作用力。③零件硬度。④磨料硬度。⑤磨料顆粒的大小。減輕磨料磨損的措施：汽車發(fā)動機(jī)的磨料磨損主要是空氣中的磨料造成的，空氣中的磨料主要是塵土和沙粒，因此要有濾清效果好的空氣濾清器；燃油濾清器，對于柴油的濾清作用要求更嚴(yán)；潤滑油濾清，經(jīng)常清洗機(jī)油濾清器。增加零件的抗磨性能，提高零件表面的硬度，使表面硬度盡可能高于磨料的硬度，以提高零件的耐磨性。

2)粘著磨損：當(dāng)金屬表面的油膜被破壞，摩擦表面間直接接觸而發(fā)生粘著作用，使一個零件表面的金屬轉(zhuǎn)移到另一個零件表面引起的磨損，稱為粘著磨損。它主要是由于金屬表面負(fù)荷大、溫度高而引起的。粘著磨損的作用機(jī)理：由于零件間的微觀不平→實際接觸面積小→接觸處承受很大的靜壓力，即凸起點的切向沖擊力→接觸點的油膜、氧化膜被破壞，純金屬直接接觸→產(chǎn)牛一定的彈性變形和朔件變形→零件間吸引力增強(qiáng)。粘著磨損的影響因素：①材料特性的影響。脆性材料比塑性材料的抗粘性能好。②零件表面粗糙度的影響。光滑程度越高，磨損量越小。③潤滑油的影響。要保證足夠的潤滑油，并保證潤滑油的粘度和工作溫度，使配合零件表面不發(fā)生干孽擦，零件表面的氧化膜不易被破壞。④運(yùn)動速度和單位面積上壓力的影響。零件的運(yùn)動速度越高，越大，摩擦力越大，越易產(chǎn)生粘著磨損。

3)疲勞磨損：在交變載荷作用下，零件表層產(chǎn)生疲勞剝落的現(xiàn)象，主要發(fā)生在純滾動及滾動與滑動并存的摩擦狀態(tài)下，如齒輪齒畫。疲勞磨損分為非擴(kuò)展性和擴(kuò)展性疲勞磨損：①非擴(kuò)展性疲勞磨損。由于周期性的接觸壓應(yīng)力作用，摩擦表面上出現(xiàn)小麻點，但隨著接觸面積的擴(kuò)大，單他接觸面積降低，小麻點停止擴(kuò)大。②擴(kuò)展性疲勞磨損。當(dāng)材料塑性較差時，在接觸表面作用有較大的壓應(yīng)力，使表面產(chǎn)生小裂紋，并擴(kuò)展而使金屬脫落，形成小麻點和擴(kuò)展成凹坑，使零件不能繼續(xù)工作。疲勞磨損機(jī)理：

由于交變載荷的反復(fù)作用，使零件表層因為反復(fù)的彈性及塑性變形而疲勞，導(dǎo)致表層的薄弱部位首先產(chǎn)生微裂紋；同時當(dāng)潤滑油浸入裂紋內(nèi)部時，若零件的滾動方向與裂紋的方向一致，當(dāng)滾動體封閉裂紋口時，堵在裂紋里的潤滑油在滾動擠壓力的作用下，對裂紋有劈開的作用，使裂紋的擴(kuò)展速度加快，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度后，金屬便從零件表層剝落下來，在零件表面上形成點狀或片狀凹坑，成為疲勞磨損。

3.影響汽車零件磨損的因素及磨損規(guī)律

(1)影響汽車零件磨損的因素磨損通常是由多種磨損形式共同作用造成的，其磨損強(qiáng)度與零件的材料性質(zhì)、加工質(zhì)量及工作條件等因素有關(guān)。1)材料性質(zhì)的影響。不同材料由于其成分、組織、結(jié)構(gòu)不同，抵抗磨損的能力也不同，如碳鋼件的耐磨性隨硬度的提高而提高、鑄鐵件的耐磨性則取決于碳含量。若在鋼鐵中加入一定的合金元素及進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，均可提高零件的耐磨性?)加工質(zhì)量的影響。零件的加工質(zhì)量主要指其表面粗糙度及幾何形狀誤差。幾何形狀誤差過大，將造成零件工作中受力不均，或產(chǎn)生附加載荷，使磨損加劇。表面粗糙度值過大會破壞油膜的連續(xù)性，造成零件表面凸起點的相互咬合，同時腐蝕物質(zhì)更易沉積于零件表面，使腐蝕磨損加劇。3)工作條件的影響。工作條件是指零件上作時的潤滑條件、滑動速度、單位壓力及工作溫度等。(2)汽車零件磨損規(guī)律零件的磨損是小可避免的，工作條件不同，引起零件磨損的原因也就不同。但各種零件的磨損卻都具有一定的共同規(guī)律，這種規(guī)律稱為零件磨損特性。遵循該磨損規(guī)律的曲線，稱為磨損特性曲線。從圖中可以以看出，零件磨損可分為三個階段：1)第一階段：磨合期(oa段)。由于新零件及修復(fù)件表面較為粗糙，工作時零件表面的凸起點會劃破油膜，在零件表面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的刻劃、粘接等作用，同時從零件表面上脫落下來的金屬及氧化物顆粒會引起嚴(yán)重的磨料磨損，所以該階段的磨損速度較快。隨著磨合時間的增長，零件表面質(zhì)量不斷提高，磨損速度會相應(yīng)降低。2)第二階段：正常工作期(ab段)。經(jīng)過磨合期的磨合，零件的表面粗糙度值降低，適油性及強(qiáng)度增強(qiáng)，所以零件在正常工作期的磨損變得非常緩慢。3)第三階段：極限磨合期(曲線b點以后)。磨損的不斷積累，造成的極限磨損期零件的配合間隙過大，油壓降低，正常的潤滑條件被破壞，零件之間的相互沖擊也隨之增加，零件的磨損急劇上升。此時如不及時進(jìn)行調(diào)整或修理，將會造成事故性損壞。由上述可知，降低磨合期的磨損量，減緩正常工作期的磨損，推遲極限磨損期的來臨，可延長零件的使用壽命(如圖中虛線所示)。四、汽車零件的疲勞

零件在交變直力作用下，經(jīng)過較長時間工作而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象，稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是汽車零件中常見的失效形式之一，也是危害性最大的一種失效形式。1．疲勞斷裂失效的分類根據(jù)零件的特點及破壞時總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，疲勞失效可按圖所示分類。

2．疲勞斷裂失效機(jī)理金屬零件疲勞斷裂實質(zhì)上是一個累積損傷過程，大體上口可分為滑移、裂紋成核、微裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展、最終斷裂幾個過程。(1)疲勞裂紋的萌生在交變載荷下，金屬零件表面產(chǎn)生不均勻滑移，金屬內(nèi)的非金屬夾雜物和應(yīng)力集中等可能是產(chǎn)生疲勞裂紋核心的策源地。

如圖：當(dāng)滑移帶隨著疲勞的加劇而逐步加寬加深，在表面出現(xiàn)擠出帶和擠入槽，這種擠入槽就是疲勞裂紋策源地。另外，金屬的晶界及非金屬夾雜物等處以及零件應(yīng)力集中的部位(臺階、尖角、鍵槽等)均會產(chǎn)生不均勻滑移，最后也形成疲勞裂紋核心。(2)疲勞裂紋的擴(kuò)展在沒有應(yīng)力集中的情況F，疲勞裂紋的擴(kuò)展可分為兩個階段。在交變應(yīng)力的作用下，裂紋從金屬材料表面上的滑移帶、擠入槽或非金屬夾雜物等處開始，沿著最大切應(yīng)力方向(和主應(yīng)力方向成40°角)的晶面向內(nèi)擴(kuò)展，這是裂紋擴(kuò)展的第一階段。這一階段擴(kuò)展速率很慢，如在有應(yīng)力集中的情況下，則不出現(xiàn)第一階段，而直接進(jìn)入第二階段。裂紋按第一階段方式擴(kuò)展一定距離后，將改變方向，沿著與正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展，這是疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段，如圖所示。這一階段裂紋擴(kuò)展途徑足穿晶的，擴(kuò)展速率較快。裂紋成核后的擴(kuò)展過程主要包括微觀和宏觀兩個裂紋擴(kuò)展階段。

整個疲勞過程是：滑移——微觀裂紋產(chǎn)生——微觀裂紋連接——宏觀裂紋擴(kuò)展直至斷裂失效。

4.提高汽車零件抗疲勞斷裂的方法提高金屬零件疲勞抗力的基本途徑是：

(1)延緩疲勞裂紋萌生時間其方法有強(qiáng)化金屬合金表面，控制表面的不均勻滑移，如表面滾壓、噴丸以及表面熱處理等。細(xì)化材料晶?？商岣咂趶?qiáng)度極限；采用熱處理方法使晶界呈鋸齒狀或使晶粒定向排列并與受力方向垂直，以防止晶界成為疲勞裂紋擴(kuò)展的通道。另外，提高金屬材料的純潔度，減小夾雜物尺寸以及提高零件表面完整性設(shè)計水平，盡量避免應(yīng)力集中的現(xiàn)象等，都是抑制或推遲疲勞裂紋產(chǎn)生的有效途徑。(2)降低疲勞裂紋擴(kuò)展的速率其主要方法有：1)止裂孔法，即在裂紋擴(kuò)展前沿鉆孔，以阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。2)擴(kuò)孔清除法，即在不影響強(qiáng)度的前提下，采用擴(kuò)孔方法加大已產(chǎn)生疲勞裂紋的內(nèi)孔直徑，將疲勞裂紋清除。3)刮磨修理法，即用刮磨方法將零件局部表面已產(chǎn)生的裂紋清除。此外，還可以在裂紋處采用局部增加有效截面或補(bǔ)貼金屬條等降低應(yīng)力水平的方法，以阻止裂紋繼續(xù)產(chǎn)生與擴(kuò)展。(3)提高疲勞裂紋門檻值△k