车辆维修工程第二章.ppt

第二章 汽车零件失效理论,第一节 汽车失效规律 汽车是由近两万个具有不同功能的零件，组成执行多种规定功能的总成、机构、部件，按一定的工艺程序和技术要求装配成的整体。各总成、机构和部件状况的综合，形成了汽车的技术状况。所谓汽车的技术状况，是定量测得的，表征某一时刻汽车外观和性能的参数值的总和。在汽车运行过程中，零部件要逐渐丧失原有的或技术文件所要求的性能，从而引起汽车技术状况变差，直至不能履行规定的功能，即汽车失效。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。(1)汽车完好技术状况(2)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，称为汽车的工作能力，或称为汽车的工作能力状况。汽车故障是指汽车部分或完全丧失工作能力的现象。因此，只要汽车工作能力遭到破坏，汽车就处于故障状况。3.汽车技术状况变化的外观症状 汽车技术状况变化往往是汽车处于工作能力状况又同时处在故障状况或者完全失去工作能力。汽车技术状况变差的主要外观症状有：1)汽车动力性变差 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,汽车技术状况恶化的主要原因，首先是组成汽车的零件间相互作用的结果；其次是汽车使用与保管的环境条件的影响；第三是以零件隐伤和过载等为主的偶然因素的作用。1汽车技术状况变化的类型 汽车技术状况变化的类型分为两大类：一类是变化过程具有确定的形式，即渐进性；一类是变化过程没有确定的形式，即突发性。(1)渐进性 其变化过程可用一个或几一个时间t确定的函数来描绘过程各参数的相互依赖关系。一般来讲，汽车的大部分机构、零部件的技术状况都随行程的延续而变化，其变化过程的特点是初始状况 随行程依次 平稳而单凋地转变到极限状况,见图2-1。对于渐进性故障，原则上可通过及时的维修措施，防止汽车发生故障，同时还可通过这一规律来预测故障的发生和对汽车进行不解体的检测。,(2)突发性,汽车技术状况的随机过程受汽车的使用条件。操作水平、零件材质的不均匀性及隐伤等随机因素的影响，没有确定的变化形式，技术状况参数的变化率和变化的特性没有必然的规律。机件进入故障状况的形成是一个随机变量，而且与故障的状况无关，见图2-2。,三、汽车失效的主要原因 1汽车零件的耗损 汽车零件的主要失效形式有零件的磨损、零件的变形、零件的疲劳损坏、零件的热损坏和老化、零件的腐蚀损坏等。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汽车及总成的工况(载荷和速度、传递的转矩、曲轴转速、换挡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的速度较郊区要降低50以上，发动机曲轴转速反而升高35左右；换挡次数增加22.5倍。显然，这种汇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作，若曲轴转速和润滑系油压不能与载荷协调一致地变化，恶化了配合副的润滑条件，则零件的磨损较稳定工况将大大加剧。,(4)气候条件的影响1)环境温度的影响。,图23表明有一个故障率最低的环境气象温度。图24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、气候干燥、道路灰尘多，也会恶化汽车零件的工作环境，使磨损增加。(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的约占40。其中，提高维修人员素质和水平是当务之急。,玩具的世界,第二节 汽车零部件失效分析,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。(1)磨损 包括磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损，如气缸工作表面“拉缸”，曲轴“抱轴”，齿轮表面和滚动轴承表面的麻点、凹坑等。(2)疲劳断裂 包括高应变低周期疲劳、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。(3)腐蚀 包括化学腐蚀、电化学腐蚀、穴蚀，如湿式气缸套外壁麻点、孔穴等。(4)变形 包括弹性变形、塑性变形，如曲轴的弯曲、扭曲，基础件(气缸体、变速器壳体、驱动桥壳)变形等。(5)老化 包括龟裂、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动阻力的现象称为摩擦，该阻力称为摩擦力。(2)分类 按零件表面润滑状态的不同，摩擦可分为下摩擦、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的边界膜隔开时的摩擦，称为边界摩擦。油膜厚度通常只在0.1um以下。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。(2)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：摩擦表面间存在的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灰尘、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，将对会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)。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(如柴油机喷油器的针阀偶件)。,磨料磨损的影响因素：,磨料在孽擦表面间经过的距离和速度。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，纯金属直接接触产牛一定的弹性变形和朔件变形零件间吸引力增强。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孽擦，零件表面的氧化膜不易被破坏。运动速度和单位面积上压力的影响。零件的运动速度越高，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，主要发生在纯滚动及滚动与滑动并存的摩擦状态下，如齿轮齿画。疲劳磨损分为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，单他接触面积降低，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，金属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，产尘化学或电化学的反应而引起的磨损，称为腐蚀磨损。腐蚀磨损分为化学腐蚀磨损、电化学腐蚀磨损、微动磨损和穴蚀；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振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)影响汽车零件磨损的因素 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、铸铁件的耐磨性则取决于碳含量。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。表面粗糙度值过大会破坏油膜的连续性，造成零件表面凸起点的相互咬合，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。工作条件是指零件上作时的润滑条件、滑动速度、单位压力及工作温度等。,(2)汽车零件磨损规律 零件的磨损是小可避免的，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。,从图中可以以看出，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，磨损速度会相应降低。,2)第二阶段：正常工作期(ab段)。经过磨合期的磨合，零件的表面粗糙度值降低，适油性及强度增强，所以零件在正常工作期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之增加，零件的磨损急剧上升。此时如不及时进行调整或修理，将会造成事故性损坏。由上述可知，降低磨合期的磨损量，减缓正常工作期的磨损，推迟极限磨损期的来临，可延长零件的使用寿命(如图中虚线所示)。,三、汽车零件的腐蚀,零件受周围介质作用而引起的损坏，称为零件的腐蚀。按腐蚀机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，汽车上约20的零件因腐蚀而失效。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。金属在干燥空气中的氧化及金属在不导电介质中的腐蚀等，均属于化学腐蚀。2电化学腐蚀失效机理电化学腐蚀是两个小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牛腐蚀的作用，使允当阳极的金属被腐蚀。电化学腐蚀的基本特点是，在金属不断遭到腐蚀的同时还有电流产生。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，这就是老化现象。这类元件、制品不论工作与否，老化现象都会发生，如橡胶轮胎、塑料器件等长期贮存也会发生龟裂、变硬等老化症状。,四、汽车零件的疲劳,零件在交变直力作用下，经过较长时间工作而发生的断裂现象，称为疲劳断裂。疲劳断裂是汽车零件中常见的失效形式之一，也是危害性最大的一种失效形式。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，大体上口可分为滑移、裂纹成核、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 在交变载荷下，金属零件表面产生不均匀滑移，金属内的非金属夹杂物和应力集中等可能是产生疲劳裂纹核心的策源地。,如图：当滑移带随着疲劳的加剧而逐步加宽加深，在表面出现挤出带和挤入槽，这种挤入槽就是疲劳裂纹策源地。另外，金属的晶界及非金属夹杂物等处以及零件应力集中的部位(台阶、尖角、键槽等)均会产生不均匀滑移，最后也形成疲劳裂纹核心。,(2)疲劳裂纹的扩展 在没有应力集中的情况F，疲劳裂纹的扩展可分为两个阶段。在交变应力的作用下，裂纹从金属材料表面上的滑移带、挤入槽或非金属夹杂物等处开始，沿着最大切应力方向(和主应力方向成40角)的晶面向内扩展，这是裂纹扩展的第一阶段。这一阶段扩展速率很慢，如在有应力集中的情况下，则不出现第一阶段，而直接进入第二阶段。裂纹按第一阶段方式扩展一定距离后，将改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展，这是疲劳裂纹扩展的第二阶段，如图所示。这一阶段裂纹扩展途径足穿晶的，扩展速率较快。裂纹成核后的扩展过程主要包括微观和宏观两个裂纹扩展阶段。,整个疲劳过程是：滑移微观裂纹产生微观裂纹连接宏观裂纹扩展直至断裂失效。,3.疲劳断El宏观形貌特征 典型宏观疲劳断口分为三个区域：疲劳源区或称疲劳核心区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图所示。(1)疲劳源区 疲劳源是疲劳破坏的起始点。(2)疲劳裂纹扩展区 疲劳裂纹扩展区是疲劳断口最重要的特征区域。(3)瞬时断裂区 当疲劳裂纹扩展列临界尺寸时，剩余截向上的真实应力超过材料强度，零件发生瞬时断裂的区域。,4.提高汽车零件抗疲劳断裂的方法提高金属零件疲劳抗力的基本途径是：(1)延缓疲劳裂纹萌生时间 其方法有强化金属合金表面，控制表面的不均匀滑移，如表面滚压、喷丸以及表面热处理等。细化材料晶粒可提高疲劳强度极限；采用热处理方法使晶界呈锯齿状或使晶粒定向排列并与受力方向垂直，以防止晶界成为疲劳裂纹扩展的通道。另外，提高金属材料的纯洁度，减小夹杂物尺寸以及提高零件表面完整性设计水平，尽量避免应力集中的现象等，都是抑制或推迟疲劳裂纹产生的有效途径。(2)降低疲劳裂纹扩展的速率 其主要方法有：1)止裂孔法，即在裂纹扩展前沿钻孔，以阻止裂纹继续扩展。2)扩孔清除法，即在不影响强度的前提下，采用扩孔方法加大已产生疲劳裂纹的内孔直径，将疲劳裂纹清除。3)刮磨修理法，即用刮磨方法将零件局部表面已产生的裂纹清除。此外，还可以在裂纹处采用局部增加有效截面或补贴金属条等降低应力水平的方法，以阻止裂纹继续产生与扩展。(3)提高疲劳裂纹门槛值k长度。金属零件裂纹扩展的门槛值是指疲劳裂纹小扩展(稳定)的最高应力强度因子幅。其值一般由试验直接确定。,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变形失效。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强度而产生塑性变形所导致的失效，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。,