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摘 要
隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，對汽車及其零部件的安全可靠性要求也就不斷發(fā)展提高，作為汽車發(fā)動機的心臟部件油泵，一旦出現故障，輕則造成汽車拋錨，重則造成車毀人亡，給人類的生命財產帶來嚴重的危害。而齒輪油泵軸的斷裂又是油泵最容易失效的方式之一。近幾年來，隨著油泵凸端噴射壓力不斷提高，軸斷裂現象更為頻繁發(fā)生，不僅給油泵生產廠商帶來巨大的經濟損失，還嚴重地損害了油泵生產廠商的社會信譽。因此盡快找出軸斷裂的原因并提出相應的改進措施迫在眉睫，具有重要的經濟效益及社會效應。本課題就是分析研究齒輪油泵軸斷裂失效的原因并提出了對策。
關鍵詞：軸，表面涂防,斷裂分析，網狀碳化物，疲勞強度，
Abstract
With the vigorous development of the automobile industry, the security and reliability requirements for motor vehicles and parts will continue development to improve the event of a failure, as the heart of the automotive engine parts oil pump, ranging from causing the car broke down, while causing a fatal car crashbring serious harm to human life and property. Gear oil pump shaft fracture is one of the oil pump most likely to fail. In recent years, with the end of the injection pressure of the oil pump convex and continuously improve, shaft breakage more frequently, not only bring huge economic losses to the oil pump manufacturers, also severely damaged the social reputation of the oil pump manufacturers. Therefore, as soon as possible to identify the reasons for shaft fracture and put forward the corresponding measures for improvement is imminent, with important economic and social effects. This topic is of Fracture Failure Analysis of gear oil pump shaft and proposed countermeasures.
【Key word】Axis；Surface coated with anti-axis；Fracture Analysis；Carbide network；Fatigue strength
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒論 1
1.1本次畢業(yè)設計的意義 1
1.2油泵的發(fā)展歷史及國內外現狀 2
1.3油泵系統(tǒng) 3
第2章 齒輪泵簡介 5
2.1齒輪泵的工作原理 5
2.2齒輪泵的結構特點 6
第3章 齒輪軸結構分析 7
3.1齒輪泵的結構及工況 7
3.2齒輪軸的技術條件 8
3.3小結 11
第4章 應力分析 12
4.1強度校核原始條件 12
4.2齒輪軸扭矩計算 12
4.3彎矩的計算 15
4.4危險截面應力的計算 16
4.5安全系數校核 19
4.6小結 20
第5章 齒輪軸設計的改進措施 21
5.1設計改進 21
5.2提高冷加工質量 21
5.3材料選用改進 22
5.4改進熱處理工藝 23
5.5小結 23
總 結 24
參考文獻 25
III
畢業(yè)設計開題報告
課題名稱: 齒輪油泵軸的失效分析及優(yōu)化設計
二級學院（系） 機械工程學院
專 業(yè) 數控技術
班 級
姓 名
學 號
指導教師
1．選題意義、研究現狀及存在問題：
齒輪泵是在工業(yè)應用中運用極其廣泛的重要裝置之一，尤其是在液壓傳動與控制技術中占有很大的比重，它具有結構簡單、體積小、重量輕、自吸性能好、耐污染、使用可靠、壽命長、制造容易、維修方便、價格便宜等特點。但同時齒輪泵也還存在一些不足，如困油現象比較嚴重、流量大和壓力脈動較大、徑向力不平衡、泄露大、噪聲高及易產生氣穴等缺點，這些特征和缺點都直接影響著齒輪泵的質量。隨著齒輪泵在高溫、高壓、大排量、低流量脈動、低噪音等方面發(fā)展及應用，對齒輪泵的特性研究及提高齒輪泵的安全和效率已成為國內外深入研究的課題。
早在二千多年前，人類就發(fā)明了齒輪泵傳動裝置。早期的齒輪采用木料或金屬鑄造成形，只能傳遞兩軸問的回轉運動，不能保證傳動的平穩(wěn)性，承載能力也很小。隨著生產的發(fā)展，齒輪運轉的平穩(wěn)性受到重視。
1674年丹麥天文學家羅默首次提出用外擺線作齒廓曲線，以得到運轉平穩(wěn)的齒輪。
18世紀工業(yè)革命時期，齒輪技術得到高速發(fā)展，人們對齒輪進行了大量的研究。
1733年法國數學家卡米發(fā)表了齒廓嚙合基本定律；1765年瑞士數學家L.Euler建議采用漸開線作齒廓曲線。漸開線圓柱齒輪自L.Euler提出后，特別是19世紀出現的滾齒機和插齒機，解決了漸開線齒輪的大量生產和精度問題，使?jié)u開線齒輪取得了在工業(yè)界的絕對優(yōu)勢地位。
在科學技術飛速發(fā)展的今天，齒輪傳動作為機械傳動的重要組成部分，由于其傳動功率大、效率高、結構緊湊、傳動比精確、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點而被廣泛應用在化工、汽車、船舶、航空、能源等國民經濟的重要領域中。齒輪泵作為齒輪在工業(yè)中應用的一種重要裝置，在液壓傳動與控制技術中占有很大比重，其主要特點是結構簡單、體積小、重量輕、自吸性好、耐污染、使用可靠、壽命較長、制造容易、維修方便、價格便宜。但漸開線型齒輪泵也有不少缺點，主要是流量和困油引起的壓力脈動較大、噪聲較大、排量不可變、高溫效率低等。這些缺點在某些結構經過改進的齒輪泵上己得到了很大的改善。近年來，齒輪泵的工作壓力有了很大提高，額定壓力可達到25Mpa，最高壓力可達31.5Mpa。另外，產品結構也有不少改進，特別是三聯、四聯齒輪泵的問世，部分地彌補了齒輪泵不能變量的缺點。而復合齒輪泵的出現使齒輪泵的流量均勻性得到了很大的改善。其使用領域也在不斷擴大，許多過去使用柱塞泵的液壓設備也已改用齒輪泵（如工程起重機等）。
提高齒輪泵的工作壓力是齒輪泵的一個發(fā)展方向，而提高工作壓力所帶來的問題是：(1) 軸承壽命大大縮短；(2) 泵泄漏加劇，容積效率下降。產生這2個問題的根本原因在于齒輪上作用了不平衡的徑向液壓力，并且工作壓力越高，徑向液壓力越大。
目前，國內外學者針對以上2個問題所進行的研究是：(1) 對齒輪泵的徑向間隙進行補償；(2)減小齒輪泵的徑向液壓力，如優(yōu)化齒輪參數、縮小排液口尺寸等；( 3) 提高軸承承載能力，如采用復合材料滑動軸承代替滾針軸承等。但這些措施都沒從根本上解決問題。
2、課題的技術方案設計
1.收集齒輪油泵相關資料，閱讀參考文獻，確定技術方案。
2.利用CAD繪制出齒輪油泵的總裝配圖。
3.對齒輪油泵進行綜合的分析。
4.繪制齒輪油泵各個零件的CAD圖。
5.根據零件的設計過程進行總結，撰寫畢業(yè)論文。
6.答辯
完成課題還應具備以下條件條件
1.大量閱讀本課題的相關書籍及查閱資料，具備機械制圖相關條件的能力。
2.具有對零件產品的結構分析及工作原理的基礎。
3.自身AutoCAD的軟件繪圖造型裝配綜合應用水平。
4.機械制造基礎、工程材料、公差配合及機械零部件測繪等專業(yè)課程的掌握程度。
5.要具有較好的分析和解決問題的能力。
3．工作進度計劃
第1周 (12.24.2012-12.28.2012) 分析油泵的組成及工作原理，收集參考資料，完成畢業(yè)設計開題報告
第2周 (12.31.2012-1.4.2013) 完成軸的失效形式分析，
第3周 (1.7.2013-1.11.2013) 完成軸的結構優(yōu)化設計及改進
第4周 (1.12.2013-1.18.2013) 完成裝配圖
第5周 (2.25.2013-3.1.2013) 完成零件圖繪制
第6周 (3.4.2013-3.8.2013) 完成畢業(yè)設計說明書
第7周 (3.11.2013-3.15.2013) 完成畢業(yè)設計說明書并準備答辯
第8周 (3.18.2013-3.22.2013) 完成答辯任務
4．參考文獻
[l]藤尺英也川和靜男.著.徐家龍.譯.柴油機燃油噴射[M].北京:機械工業(yè)出版社1992 1--9
[2]無錫威孚集團公司柴油噴射裝置培訓教材無錫1998
[3]陳凌.關于齒輪軸斷裂問題的探討油泵技術[M].陜西漢中:漢江油泵油嘴廠技術情報室10-30
[4]土大倫，趙德寅，鄭伯芳.著.軸及緊固件的失效分析[M].北京:機械工業(yè)出版社21-35
[5]西安交通大學金屬材料及熱處理教研室.機器零件的失效與預防[M].西安：西安交通大學出版社30-45
[6]黃明志，石德坷，金志浩.金屬力學性能[M].西安：西安交通大學出版社
[7]《滲碳、碳氮共滲、氮化零件金相組織檢驗標準》第三機械工業(yè)部
[8]牟衛(wèi)萍.測定20Cr鋼滲碳層深度方法的比較實驗室研究與探索[M].上海
[9]鄧增杰，周敬恩.工程材料的斷裂與疲勞[M].北京：機械工業(yè)出版社15-33
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[12] 徐顴，疲勞強度設計[M].北京：機械工業(yè)出版社44-68
[13]上海市機械制造工藝研究所金相分析技術
[14]上海交通大學，金屬斷口分析[M].北京；國防工業(yè)出版社51-57
[15] Fine M E arid Ritchie R 0 Fatigue crack initiation and near-threshold
指導教師意見：
指導教師：
年 月 日
二級學院（系）畢業(yè)設計工作委員會意見：
（蓋章）
年 月 日
第一章 緒論
1.1本次畢業(yè)設計的意義
齒輪泵是液壓傳動系統(tǒng)中常用的液壓元件，在結構上可分為外嚙合齒輪泵和內嚙合齒輪泵兩大類。外嚙合齒輪泵的優(yōu)點是結構簡單、尺寸小、重量輕、制造維護方便、價格低廉、工作可靠、自吸能力強、對油液污染不敏感等。
外嚙合齒輪泵是應用最廣泛的一種齒輪泵(稱為普通齒輪泵)，其設計及生產技術水平也最成熟。多采用三片式結構、浮動軸套軸向間隙自動補償措施、鋁合金殼體徑向“掃膛”工藝，并采用平衡槽以減小齒輪(軸承)的徑向不平衡力。目前，這種齒輪泵的額定壓力可達2.5Mpa。正因為其諸多特點引起了多人對其進行研究。
齒輪泵結構簡單，加工方便，體積小，重量輕，且有自吸能力強、對油液污染不敏感等特性，因而應用較為廣泛。齒輪泵的主要缺點是徑向液壓力不平衡，軸承壽命短；流量脈動大，噪聲高。另外，其排量不可調節(jié)，使用范圍受到限制。國內外有關齒輪泵的研究主要集中在以下幾個方面。
(1)齒輪參數及泵體結構的優(yōu)化設計；
(2)補償面及齒間油膜的計算機輔助分折；
(3)油沖擊及嚙合措施，齒輪泵的困油現象對齒輪泵乃至整個液壓系統(tǒng)都產生了很大的危害。困油沖擊與齒輪嚙合的重疊系數及嚙合是否完全等有很大關系(包括卸荷槽的位置、形狀及面積等)；
(4)齒輪泵噪聲的控制技術；
(5)降低齒輪泵的流量脈動的方法，由于齒輪泵的流量脈動較大，在一些要求較高的液壓系統(tǒng)中，很少采用齒輪泵。關于降低齒輪泵流量脈動的方法已有很多，如合理選擇齒輪的參數；采用剖分式齒輪；采用多齒輪等；
(6)輪齒表面涂覆技術及其特點；
(7)輪齒彎曲應力及接觸疲勞強度的計算，齒輪泵的輪齒彎曲應力及接觸疲勞強度計算與一般齒輪轉動的彎曲應力及接觸疲勞強度計算是有區(qū)別的；
(8)齒輪泵的變量方法研究 ；
(9)齒輪泵的壽命及其影響因素。
1.2齒輪泵的發(fā)展歷史及研究現狀
早在二千多年前，人類就發(fā)明了齒輪傳動裝置。早期的齒輪采用木料或金屬鑄造成形，只能傳遞兩軸間的回轉運動，不能保證傳動的平穩(wěn)性，承載能力也很小。隨著生產的發(fā)展，齒輪運轉的平穩(wěn)性受到重視。1674年丹麥天文學家羅默首次提出用外擺線作齒廓曲線，以得到運轉平穩(wěn)的齒輪。18世紀工業(yè)革命時期，齒輪技術得到高速發(fā)展，人們對齒輪進行了大量的研究。1733法國數學家卡米發(fā)表了齒廓嚙合基本定律；1765年瑞士數學家LEuler建議采用漸開線作齒廓曲線。
漸開線圓柱齒輪自L.Euler提出后，特別是19世紀出現的滾齒機和插齒機，解決了漸開線齒輪的大量生產和精度問題，使?jié)u開線齒輪取得了在工業(yè)界的絕對優(yōu)勢地位。在科學技術飛速發(fā)展的今天，齒輪傳動作為機械傳動的重要組成部分，由于其傳動功率大、效率高、結構緊湊、傳動比精確、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點而被廣泛應用在化工、汽車、船舶、航空、能源等國民經濟的重要領域中。齒輪泵作為齒輪在工業(yè)中應用的一種重要裝置，在液壓傳動與控制技術中占有很大比重，其主要特點是結構簡單、體積小、重量輕、自吸性好、耐污染、使用可靠、壽命較長、制造容易、維修方便、價格便宜。但漸開線型齒輪泵也有不少缺點，主要是流量和困油引起的壓力脈動較大、噪聲較大、排量不可變、高溫效率低等。這些缺點在某些結構經過改進的齒輪泵上己得到了很大的改善。近年來，齒輪泵的工作壓力有了很大提高，額定壓力可達到25MPa，最高壓力可達31.SMPa。另外，產品結構也有不少改進，特別是三聯、四聯齒輪泵的問世，部分地彌補了齒輪泵不能變量的缺點。而復合齒輪泵的出現使齒輪泵的流量均勻性得到了很大的改善。其使用領域也在不斷擴大，許多過去使用柱塞泵的液壓設備也已改用齒輪泵(如工程起重機等)。
外觀上，2003年，由美國哥倫比亞大學學者surest Babe Kasaragad在研究一種結構相同而嚙合齒輪齒數不等的外嚙合齒輪泵流量脈動的情況下，通過數學手段分析，當增加泵的自然諧波時，能設計出一種主動齒輪齒數多、從動齒輪齒數少的齒輪泵，該齒輪泵的排量及流量脈動振幅沒減少但在結構設計方面與傳統(tǒng)齒輪泵相比具有外形簡單，體積更小的特點。不過，齒輪泵也有不少缺點，主要是流量和困油引起的壓力脈動較大，噪聲較大，排量不可變，高溫效率較低。這些缺點在某些結構經過改進的齒輪泵上，己得到很大的改善。江蘇工業(yè)學院祝海林教授等人針對現有高粘度齒輪泵結構單一、徑向力不平衡、軸承受力大造成磨損嚴重、流量及壓力脈動大等問題，綜合行星傳動及齒輪泵原理，提出了將外嚙合與內嚙合兩種結構相結合構成高粘度復合齒輪泵的設想，闡述了新型齒輪泵的結構及性能特點，得出了理論排量的計算公式。研究表明:新型齒輪泵的高低壓腔對稱、齒輪與軸受力平衡。它具有內泄漏小、軸承及泵的壽命長、輸出排量成倍增加而流量脈動小等顯著優(yōu)點，具有良好的產業(yè)化前景。
齒輪泵可分為外嚙合和內嚙合兩大類，國外某些工業(yè)發(fā)達國家齒輪泵的產量在液壓泵中占有很大比重與外嚙合齒輪泵相比內嚙合齒輪泵以其體積小，重量輕、噪聲低、自吸性能好、流量脈動小等優(yōu)點而倍受重視，其產量在齒輪泵的總產量中占有很大比例。一些發(fā)達國家內嚙合與外嚙合齒輪泵的產量比接近于1:1。齒輪泵是我國最早生產的液壓元件之一，壓力從0.5MPa至25Mpa(最高壓力達到31.SMpa)，流量從3umin至400L/min的齒輪泵均有生產;我國的內嚙合齒輪泵產量不大，特別是內嚙合擺線齒輪泵和其它非漸開線齒廓嚙合齒輪泵，基本還處于初級階段。目前，我國的齒輪泵產品性能還比較低，與國外同類產品相比，還有不小的差距。
1.3齒輪泵的發(fā)展趨勢
液壓傳動系統(tǒng)正向著快響應、小體積、低噪聲的方向發(fā)展。為了適應這種要求，齒輪泵除積極采取措施保持其在中低壓定量系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等的霸主地位外，尚需向以下幾個方向發(fā)展：
(1)高壓化高壓化是系統(tǒng)所要求的，也是齒輪泵與柱塞泵、葉片泵競爭所必須解決的問題。齒輪泵的高壓化工作已取得較大進展，但因受其本身結構的限制，要想進一步提高工作壓力是很困難的，必須研制出新結構的齒輪泵。這方面，多齒輪泵將有很大優(yōu)勢，尤其是平衡式復合齒輪泵。
(2)低流量脈動 流量脈動將引起壓力脈動，從而導致系統(tǒng)產生振動和噪聲，這是與現代液壓系統(tǒng)的要求不符的。降低流量脈動的方法，除了前面所介紹的措施外，采用內嚙合齒輪泵及多齒輪泵(如復合齒輪泵)將是一種趨勢 。
(3)低噪聲 國外早就有“安靜”的液壓泵之說。隨著人們環(huán)保意識的增強 對齒輪泵的噪聲要求也越來越嚴格。齒輪泵的噪聲主要由兩部分組成，一部分是齒輪嚙臺過程中所產生的機械噪聲，另一部分是困油沖擊所產生的液壓噪聲 前者與齒輪的加工和安裝精度有關，后者則主要取決于泵的卸荷是否徹底。對于外嚙臺齒輪泵，要實現完全卸荷是很困難的，因此進一步降低泵的噪聲受到一定的限制。在這方面．內嚙合齒輪泵因具有運轉平穩(wěn)、無困油現象、噪聲低等特點，因此今后將會有較大發(fā)展。
(4)大排量對于一些要求快速運動的系統(tǒng)來說，大排量是必需的。但普通齒輪泵排量的提高受到很多因素的限制。這方面，平衡式復臺齒輪泵具有顯著優(yōu)勢，如1臺三惰輪復合齒輪泵的排量相當于6臺單泵的排量。
(5)變排量齒輪泵的排量不可調節(jié)，限制了其使用范圍。為了改變齒輪泵的排量，國內外學者進行了大量的研究工作，并取得了很多研究成果。有關齒輪泵變排量方面的專利已有很多，但真正能轉化為產品的很少。但不管怎樣，齒輪泵的變排量將是一個發(fā)展方向。
第二章 齒輪泵簡介
?2.1 齒輪泵的工作原理
外嚙合齒輪泵的工作原理圖如圖2-1所示：
圖2-1齒輪泵工作原理圖
由圖可見，這種泵的殼體內裝有一對外嚙合齒輪。由于齒輪端面與殼體 端蓋之間的縫隙很小，齒輪齒頂與殼體內表面的間隙也很小，因此可以看成將齒輪泵殼體內分隔成 左、右兩個密封容腔。當齒輪按圖示方向旋轉時，右側的齒輪逐漸脫離嚙合，露出齒間。因此這 一側的密封容腔的體積逐漸增大，形成局部真空，油箱中的油液在大氣壓力的作用下經泵的吸油 口進入這個腔體，因此這個容腔稱為吸油腔。隨著齒輪的轉動，每個齒間中的油液從右側被帶到 了左側。在左側的密封容腔中，輪齒逐漸進入嚙合,使左側密封容腔的體積逐漸減小，把齒間的油 液從壓油口擠壓輸出的容腔稱為壓油腔。當齒輪泵不斷地旋轉時，齒輪泵的吸、壓油口不斷地吸油 和壓油，實現了向液壓系統(tǒng)輸送油液的過程。在齒輪泵中，吸油區(qū)和壓油區(qū)由相互嚙合的輪齒和泵體分隔開來，因此沒有單獨的配油機構。
齒輪泵是容積式回轉泵的一種，其工作原理是：齒輪泵具有一對互相嚙合的齒輪，齒輪（主動輪）固定在主動軸上，齒輪泵的軸一端伸出殼外由原動機驅動，齒輪泵的另一個齒輪（從動輪）裝在另一個軸上，齒輪泵的齒輪旋轉時，液體沿吸油管進入到吸入空間，沿上下殼壁被兩個齒輪分別擠壓到排出空間匯合（齒與齒嚙合前），然后進入壓油管排出。
?? 齒輪泵的主要特點是結構緊湊、體積小、重量輕、造價低。但與其他類型泵比較，有效率低、振動大、噪音大和易磨損的缺點。齒輪泵適合于輸送黏稠液體。
2.2 齒輪泵的結構特點
齒輪采用具有國際九十年人先進水平的新技術--雙圓弧正弦曲線齒型圓弧。它與漸開線齒輪相比，最突出的優(yōu)點是齒輪嚙合過程中齒廓面沒有相對滑動，所以齒面無磨損、運轉平衡、無困液現象，噪聲低、壽命長、效率高。該泵擺脫傳統(tǒng)設計的束縛，使得齒輪泵在設計、生產和使用上進入了一個新的領域。
泵設有差壓式安全閥作為超載保護，安全閥全回流壓力為泵額定排出壓力1.5倍。也可在允許排出壓力范圍內根據實際需要另行調整。但是此安全閥不能作減壓閥長期工作，需要時可在管路上另行安裝。
該泵軸端密封設計為兩種形式，一種是機械密封，另一種是填料密封，可根據具體使用情況和用戶要求確定。
?2.3 困油現象及卸荷
1) 困油現象
齒輪泵要平穩(wěn)工作，齒輪嚙合的重合度必須大于1，于是總有兩對齒輪同時嚙合，并有一部分油液被圍困在兩對輪齒所圍成的封閉容腔之間。這個封閉的容腔開始隨著齒輪的轉動逐漸減小，以后又逐漸加大。封閉腔容積的減小會使被困油液受擠壓而產生很高的壓力，并且從縫隙中擠出，導致油液發(fā)熱，并致使機件受到額外的負載；而封閉腔容積的增大又造成局部真空，使油液中溶解的氣體分離，產生氣穴現象。這些都將產生強烈的振動和噪聲，這就是齒輪泵的困油現象。
2) 危害
徑向不平衡力很大時能使軸彎曲，齒頂與殼體接觸，同時加速軸承的磨損，降低軸承的壽命。
3) 消除困油現象方法
消除困油的方法，通常是在兩側蓋板上開卸荷槽，使封閉腔容積減小時通過左邊的卸荷槽與壓油腔相通，容積增大時通過右邊的卸荷槽與吸油腔相通。
第三章 齒輪軸結構分析
本章著重介紹分析齒輪軸的原始條件、服役工況及加工過程。
3.1.齒輪軸的結構及工況
圖3-1齒輪軸結構示意圖
3.1.1.齒輪軸的結構
齒輪軸位于泵體的下部，由兩個圓錐滾子軸承支承，其前端與提前器相連，后端與調速器相連，齒輪軸兩端為帶半圓.鍵槽的錐體，其中與提前器的內錐面貼合的通常稱為驅動端，驅動端通過提前器與聯軸器等部件與柴油機連接。另一端通過錐面與調速器相聯，稱為調速端。齒輪軸的結構及外形。
3.1.2.齒輪軸的工況
齒輪軸通過提前器、聯軸器等部件與柴油機相連。由柴油機及油泵的結構可知，柴油機的動力是通過聯軸器、提前器等部件傳遞給油泵凸輪軸的，具體過程為:柴油機的動力通過齒輪傳動把動力傳遞給聯軸器，聯軸器把動力傳遞給提前器，由提前器再把動力傳遞給凸輪軸的驅動端，提前器與軸間的扭矩傳遞是靠凸輪軸與提前器的錐面貼合產生的摩擦力來完成的，摩擦正壓力靠凸輪軸頂端的螺帽擰緊產生。因此在軸的驅動端要受到扭矩的作用，同時柴油機的扭矩是通過齒輪傳遞過來的，齒輪會產生側向力，所以凸輪軸還會受到由于側向力而產生的彎矩的作用。而凸輪軸的調速端則主要是帶動調速器工作，因此受力很小。凸輪軸在兩個支承點之間除了受到驅動力矩的作用之外，齒輪軸還不斷循環(huán)往復地受到泵端壓力、柱塞彈簧力和慣性力的作用，因此整根齒輪軸在兩個支承點之間除了受到扭轉力矩的作用外，還受到彎曲力矩的作用。
3.2 齒輪軸的技術條件
3.2.1冷加工主要技術要求
1.由于軸是靠兩錐面貼合的摩擦力來傳遞扭矩，為了保證有足夠的接觸面積來傳遞扭矩，因此工藝要求磨削加工結束后，兩個錐面的貼合面積不得小于800。
2.軸兩端的錐體上開有半圓鍵槽，在鍵槽缺口處容易產生應力集中，為了有效地降低應力集中的敏感性及應力集中系數，提高錐體部位的強度，工藝要求半圓鍵槽的根部有r為0. 4±a. z二的圓角。
3.錐面與圓柱面交界處要求平滑過渡。
3.2.2熱處理技術要求
1. 材料：
由前面齒輪軸的服役工況可知，軸的凸輪部位與錐體部位受力不同，因此熱處理后有不同的硬度要求。凸輪部位要求有很高耐磨性，所以該部位要求有很高的硬度，而在錐體部位則要承受循環(huán)扭矩和彎矩的作用，因此該部位要求有很好的強韌性結合，所以要求中硬度。為了滿足同一零件不同部位的多種硬度要求，在機械設計中，常選用低碳鋼通過表面處理來達到要求，凸輪軸即如此材料為20Cr鋼，具體的化學成分滿足GB3077-880凸輪軸用20Cr鋼能很好地滿足冷加工工藝性、熱處理工藝性、熱處理后要達的性能要求。這是因為20Cr鋼是在20鋼的基礎上，為了提高其性能，加入0. 7-1. 00}的Cr而成。20Cr鋼工藝性能優(yōu)良，鍛造正火后具有良好的切削加工性，下火后的硬度為(156-207) HB。切削性能較好，表面光潔度高。由于鉻的加入，提高了鋼的淬透性，而且鉻又是強化鐵素體的元素，溶于鐵素體中亦可起強化作用，因此提高了凸輪軸滲碳后的心部強度。由于淬透性提高，在淬火時即可采用較緩和的冷卻劑冷卻(冷卻介質為硝)，從而還可以減小齒輪軸的淬火變形。鉻與碳的親和力較大，又能促使?jié)B碳層表面含碳量趨于飽和，增加碳濃度梯度，使?jié)B碳速度增加，從而使齒輪軸在滲碳和淬火后具有較高的硬度和較好的耐磨性。正是由于碳和鉻的親和力較大，這種鋼在滲碳層中易在齒輪軸的表面形成網狀碳化物，故滲碳時應嚴格控制滲碳爐內的氣氛碳勢。20Cr鋼雖然是本質細晶粒鋼，但在滲碳溫度下長期加熱滲碳,晶粒也會顯著長大，故齒輪軸滲碳后不能直接淬火。為了克服滲碳帶來的各種缺陷，細化晶粒，進一步提高心部的強度及韌性，為后續(xù)熱處理做組織準備，因此在滲碳后要進行正火。然后再重新加熱淬火。
2. 熱處理工藝要求：
齒輪軸的整個熱處理過程為：齒輪軸先滲碳，滲碳后正火，正火后再淬火回火，然后再對軸的錐體進行高頻退火。滲碳的目的是通過增加軸表面的碳含量，使齒輪軸在隨后的淬火處理后獲得很高的表面硬度及耐磨性，滿足齒輪表面的技術要求。而在軸的心部仍舊保持了20Cr鋼原始的低碳含量，使齒輪軸的心部在淬火處理后仍具有很高的韌性。滲碳后加一道正火工序是為了消除滲碳后形成的網狀碳化物等組織缺陷，細化晶粒，進一步提高心部的強韌性，為淬火作組織儲備。軸淬火的目的是為了提高表面的硬度、強度、耐磨性，獲得合適的組織結構。軸淬火后，雖然具有很高的硬度，但也帶來很大的淬火應力，齒輪軸表面淬火后形成的高碳針狀馬氏體還具有很高的脆性，因此不能直接使用，所以必須通過回火來消除淬火應力，適當的減低強度，減少脆性，提高韌性，同時還可提高尺寸穩(wěn)定性，這樣齒輪表面在滲碳淬火后就可以得到很高的硬度和很高的耐磨性來滿足齒輪部位的技術要求。而錐體部位在高頻退火后就可以把滲碳淬火后的高硬度降下來，達到中硬度的要求。熱處理各工序的工藝參數分別如圖z-z所示。
3. 硬度及滲碳層深度
a.硬度
余屬的硬度反映了金屬抗侵入能力，它不僅與材料的靜強度、疲勞強度存在近似的經驗關系，還與冷成型性、切削性等工藝性能存在某些聯系，因此硬度對于控制材料的冷熱加工質量有一定的參考意義。在熱處理生產過程中常把硬度作為檢驗熱處理質量的指標之一，同時硬度檢測還具有快速直觀準確的特點，因此軸也可采用硬度法來檢驗其熱處理質量。
由軸的工作原理可知：軸的齒輪在工作時要不斷交替推動滾輪仁升，因此齒輪表面在工作時就要不斷受到滾輪循環(huán)接觸應力的作用。因滾輪是采用軸承鋼材料經熱處理淬火制成的，具有很高的硬度，為了保證與滾輪接觸的齒輪表面有足夠的硬度和接觸疲勞強度，防止早期剝落和磨損而影響軸的正常工作，所以齒輪表面要求有很高的硬度和耐磨性，因此齒輪表面熱處理后的硬度要求大于60HRC。磨削加工后的成品凸輪表面要求大于58HRC。
從軸的工況分析，我們知道到軸兩端的錐體部位主要受到扭矩和彎矩的作用，但在汽車工況突變還會受到一定的沖擊載荷的作用，因此軸的錐體部位要求有很好的韌性，但是若過分強調塑韌性而忽略強度硬度要求，就有可能導致強度及多沖抗力不足，所以錐體部位熱處理后的硬度要求處于中硬度范圍，要求為30-45HRC。一般的工程結構材料處于該硬度范圍時具有很好的強韌性。
b.滲碳層深度
對于進行滲碳處理的零部件其滲碳層的深度會直接影響到它的使用性能，尤其是對于軸等受扭轉或彎曲載荷作用的零件，表面應力最大，應力沿半徑向心部逐漸減弱。為了使零件能持續(xù)工作，要求零件滲層深度能使傳遞到心部的應力低于心部強度，若應力大于材料的屈服極限，將會產生塑性變形。卸載后滲層彈性變形恢復，而心部卻不能恢復，在交變載荷的循環(huán)作用下，滲層與心部的交界處就會產生裂紋，并逐步擴展，所以對于心部強度較低的鋼，采用增加滲層厚度的辦法可顯著提高疲勞強度。但滲層深度不可過深，因為滲層深度的增加往往伴隨表面碳濃度的提高，致使大塊碳化物及殘余奧氏體量增加，導致疲勞強度和沖擊韌性反而降低?？梢姼鶕慵氖褂靡?，選擇合適的滲碳層深度是必要的。
日常設計零件的滲碳層深度時，大都采用經驗或經驗公式計算方法。美國金屬學會(ASM)推薦可根據載荷的大小選擇滲碳層深度，其參考值如表3-2所示。
齒輪軸滲碳層深度的選擇既考慮了載荷因素，又兼顧了多年的生產實際經驗。由于齒輪軸受交變負荷的作用，所受的力是交變彎扭復合應力，所以要求齒輪軸具有很高的疲勞強度和沖擊韌性。齒輪軸的材料是20Cr鋼，熱處理淬火時以硝鹽作為冷卻介質，淬火后心部強度不高，為了獲得高的疲勞強度及沖擊韌性，就要求有足夠的滲碳層深度。凸輪軸表面滲碳后滲碳層的深度要求為1.2-2.0mm。磨削加工后要求滲碳層大于0. 9mm。
表3-2 按照載荷的大小選擇滲碳硬化層深度
4. 金相組織
齒輪軸是滲碳淬火件，為了保持齒輪表面滲碳后較高的疲勞強度和耐磨性，同時心部能保持足夠的強度和韌性，對滲層中的碳化物的形態(tài)、分布和大小，殘余奧氏體含量及心部的組織都有嚴格的要求。技術條件要求表面不允許出現網狀碳化物及大量的殘余奧氏體，心部不能出現大量的未溶鐵素體、上貝氏體及魏氏組織等異常組織。
3.3小結
1. 齒輪軸是油泵的關鍵部件，它位于泵體的下端，由兩個軸承支承，軸上有1個凸輪和1個偏心輪，兩端為帶有鍵槽的錐體(錐度為1:5)，其驅動端與提前器相連，調速端與調速器相連。
2. 齒輪軸的驅動端受到彎扭復合力的作用，受力最大：調速端受力很小，而在兩支承點之間除了受到扭矩的作用外，還要受到泵端壓力、柱塞彈簧力和慣性力的作用。
3. 齒輪軸采用20Cr材料模鍛成型，熱處理工藝采用滲碳淬火處理。
第四章 應力分析
應力分析是根據零件的大小、形狀以及載荷等因素，采用理論應力計算或實驗驗證的方法確定條件中的應力大小，從強度方面分析失效的原因及提出預防措施.本課題中對齒輪軸通過理論應力分析進行強度校核。
由于齒輪軸斷裂的部位都位于錐柱面交界的錐體處，因此本課題主要對錐體部位進行強度校核。
4.1強度校核原始條件
由齒輪軸的結構及工況可知：齒輪軸工作時，要不斷推動滾輪上升，滾輪再推動柱塞上升，齒輪軸所受的載荷由泵端壓力通過柱塞產生的作用力PP，慣性力PJ，柱塞彈簧力Pz組成，合力為P。合力P通過滾輪作用在凸輪上。
如前所述，錐體部分除了受到柴油機傳遞過來的驅動扭矩M的作用之外，還要受到柴油機齒輪的側向分力而產生的彎矩的作用。設側向力為F1，彎矩為M。齒輪軸工作時驅動端要傳遞動力，受力最大，也是斷裂部位所在端。所以，下面只對驅動端進行強度計算。
從前面的敘述可知，驅動扭矩的循環(huán)特征值R＞0；最小應力很小，可忽略不計。本文按R=0計算，即把驅動扭矩變化按脈動循環(huán)處理。
4.2 齒輪軸扭矩計算
4.2.1 計算工況
取滾輪與齒輪在切線終點處的接觸點為計算位置，因為這一位置接近于最大泵端壓力出現的位置，并且這一位置角。為最大，因此齒輪軸此時受力最大。
本課題所計算得齒輪軸：齒輪升程為11mm。
則a+b=60，b=25 所以a=35
4.2.2齒輪軸受力分析
齒輪軸的受力簡圖如圖4-1
圖4-1 齒輪軸受力簡圖
如圖所示，可得：
由平衡條件：
，得：
，得：
，得：
式中：—垂直外力總和
—兩端軸承對齒輪軸支座垂直反力
—兩端軸承對齒輪軸支坐水平反力
—滾輪對齒輪的作用力
—驅動扭矩
—到齒輪中心的距離
—齒輪基圓半徑
—滾輪半徑
—計算位置的齒輪升程
—兩軸承支坐之間的距離
—計算截面到軸承支坐的距離
4.2.3.外載荷與慣性力計算
式中：P--泵端壓力通過柱塞產生的作用力
P--柱塞彈簧的作用力
P--運動部件的慣性力
4.2.3.1柱塞作用力
泵端壓力。作用在直徑為d的柱塞上，泵端壓力p=600bar，柱塞直徑d=9.5mm，
故
4.2.3.2柱塞彈簧作用力
設彈簧剛度為，，在計算位置處彈簧的壓縮量為7.3mm
4.2.3.3慣性力
取油泵轉速，1500rpm時的加速度進行計算
式中: —重力加速度
—運動部件加速度
—運動部件重量
計算可得:
則
代入式(4-1)得:
代入式(4-4):得
4.3彎矩的計算
由受力簡圖可知，除了側向力F，凸輪軸的驅動端還受到彎矩的作用。
4.3.1側向力的計算
柴油機齒輪傳遞給油泵凸輪軸的扭矩就是凸輪軸的驅動扭矩，所以齒輪的側向嚙合力為：
式中為齒輪的半徑，
計算可得
4.3.2彎矩的計算
齒輪嚙合力移至齒輪軸軸線上的側向力，使凸輪軸產生彎曲，驅動端截面上的彎矩為:
式中：齒輪中心到所計算截面的距離，從上式可以看出，當F不變時，彎矩M隨著x增加而增加。齒輪軸的錐體部位在圓錐面與圓柱面交界處最大，在該截面上受到的彎矩最大。計算中心截面離齒輪中
心的距離，因此，計算可得，該截面所受的彎矩
4.4危險截面應力的計算
4.4.1最大切應力計算
在計算過程中假設齒輪軸工作時提前器內錐面與齒輪軸錐面處于全面貼合壓緊狀態(tài)，即齒輪軸承受的力矩是在整個錐面范圍內通過摩擦力逐漸加上的。
為了計算方便，如圖4-2把錐體置于直角坐標系中，坐標系原點在錐角頂點，錐臺小端半徑即齒輪軸錐體小端半徑為，其橫坐標為,，錐臺大端半徑即齒輪軸錐體大端為，橫坐標為。鍵槽半徑為8mm，鍵槽垂直于母線方向的最大深度為9. 9mm,鍵槽的寬度b為5mm。
圖4-2 錐臺坐標系
首先計算錐體段截面上驅動端的扭矩。
設單位面積上的摩擦力為，則摩擦力矩元為，對整個錐面的積
分即為急摩擦力矩：
式中未知力f可由平衡公式求得：
則
把代入上式可得，
錐體任意截面的扭矩為：
于是，錐體任意截面上的最大切應力為：
式中 — x處半徑為R的截面扭矩
— 半徑為R處的扭矩截面模量
所以：
由式可得：在理想貼合狀態(tài)下，錐體截曲上最大應力T隨半徑R增大而增大，即在錐柱面交界受到的應力最大。
由此可計算:
1.半徑為R=10時，即在凸輪軸錐柱面交界處，此處的抗扭截面模量為：
2.考慮鍵槽的影響，鍵槽部位的抗扭截面模量應為：
所以，
在鍵槽最深處，錐體截面的承載面積最小度代入式計算得:
從以上兩個不同位置的應力計算可以看出，凸輪軸在錐體上端錐柱面交接處所受的切應力最大。
4.4.2最大正應力的計算
1.錐柱面交界處最大正應力
在半徑為R處的抗彎截面模量
所以，
將數據代入，得：
2.考慮鍵槽的影響，鍵槽部位的抗彎截面模量應為:
將數據代入，得：
從上面的計算可以看出，凸輪軸錐體上在錐柱面交界處受到的應力最大，即危險截面在錐柱面交界處，這也就說明了斷裂為什么主要都發(fā)生在錐柱面交界附近。
4.4.3主應力計算
計算危險截面即錐柱面交界處的主應力，由上己知
主應力大?。?
將上面數據代入得：
主應力方向：
將上面數據代入得：
4.5安全系數校核
通過應力分析計算，己找出了危險截面在齒輪軸驅動端錐柱面交界處。以下校核它的設計安全系數。通過上述對齒輪軸工況的簡化，即假設齒輪軸所受的扭矩為脈動循環(huán)，根據材料力學疲勞強度計算理論及凸輪軸本身受力情況、結構特點和加工水平等因素，安全系數校核公式為：
扭轉疲勞安全系數：
脈動循環(huán)應力：
所以，
玩去疲勞安全系數：
對稱循環(huán)應力：
所以，
彎扭組合疲勞安全系數：
式中： ，為材料對稱循環(huán)疲勞極限
，為零件有效應力集中系數
，為零件的尺寸系數
為零件表面狀態(tài)系數
，為不對稱敏感系數
,和,分別為循環(huán)交變應力的應力幅和平均應力
其中，
，
4.5.1錐柱面交界截面校核
通過查閱有關手冊可得:對于齒輪軸經滲碳淬火回火狀態(tài)下的各項參數為
為表面強化系數
把上述數據代入可得：
4.5.2 鍵槽截面校核
對于齒輪軸在設計時一般取安全系數為[n]=1.4-1.8。從計算結果來看，計算所得的安全系數均大于許用安全系數，這說明在理想情況下齒輪軸的疲勞強度是足夠的。
討論：k:和k。為零件的有效應力集中系數，它與軸上的截面變化，鍵槽及圓角過渡等因素有密切關系，若鍵槽存在加工尖角，則會產生應力集中，局部應力增大，從而萌生早期裂紋，最終導致齒輪軸斷裂。本凸輪軸鍵槽圓角設計要求r=0. 4mm，查得應力集中系數k=2. 9。實際測量圓角為：r=0. 2mm，查得k=3. 6。而Bosch公司齒輪軸鍵槽r=0.6mm，k} <2.6?？梢姡瑪噍S應力集中系數比設計要求的高24%，比Bosch公司產品高38%。因此應力集中是導致齒輪軸早期斷裂的主要因素之一。
4.6小結
1. 齒輪軸受力比較復雜，發(fā)生早期斷裂的驅動端受扭轉、彎曲組合作用。
2. 齒輪軸驅動端危險截面為錐柱面交界處。
3. 齒輪軸危險截面疲勞強度滿足要求，疲勞安全裕度足夠。
4.應力集中是齒輪軸早期斷裂的主要因素之一。
第五章 齒輪軸設計的改進措施
大致可以把導致齒輪軸疲勞斷裂的原因歸納為以下幾個方面：設計、冷加工質量(包括表面狀態(tài))、熱處理質量、裝配質量、原材料缺陷和使用情況。本文中我們針對上述原因提出以下一些改進措施。
5.1設計改進
設計的改進無非就是提高強度儲備，即增加設計安全系數和優(yōu)化結構設計。5.1.1提高強度儲備
從第三章的計算可知，齒輪軸的設計安全系數大于許用安全系數，說明齒輪軸在現有的服役工況條件下的設計強度己經足夠。
5.1.2優(yōu)化結構設計
齒輪軸由于結構上的需要，錐體上設計有半圓定位鍵槽，又由于裝配的要求必須有臺階、圓角。截面的突變會產生應力集中，它與零件的幾何形狀如截面的變化大小、缺口的尖銳程度等密切相關。對于承受交變載荷的零件，應力集中的影響尤為重要，因此，應盡可能地減小應力集中，提高齒輪軸的抗疲勞強度，這就要求設計上更合理地優(yōu)化結構。
為了保證應力集中部位的強度，單純增加零件表面尺寸，是不合適的，主要應設法改善其局部狀況，使應力集中系數降低。對于齒輪軸，可采取的措施有：①盡可能加大半圓鍵槽的圓角過渡。這種方法的效果在Bosch的齒輪軸上得到了有效的證明，Bosch的齒輪軸半圓鍵槽的底部圓角過渡為R=0.6mm。②在齒輪軸錐柱面交界處應盡可能過渡平滑。
5.2提高冷加工質量
5.2.1提高表面光潔度
1400N/mm2的三種鋼材作過表面光潔度對疲勞極限的影響的試驗。其試驗結果如表5-1所示.
表5-1 表面極限對疲勞強度的影響
由表5-1可知，對于的鋼材，經銑削的工件疲勞極限僅為拋光的工件的35%。齒輪軸是經過滲碳淬火的高強度零件，因此表面加工光潔度對它的疲勞極限的影響是很嚴重的。為了提高疲勞極限，在工藝許可的條件，應盡可能提高冷加工的表面光潔度。
5.2.2提高錐面的加工精度
齒輪軸工作時是靠聯軸器的內錐面與凸輪軸的錐面貼合產生摩擦力來傳遞扭矩的，從第三章的計算可知，，即齒輪軸所傳遞的全部力矩是力矩元對整個錐面面積的積分。因此齒輪軸為了傳遞柴油機的全部扭矩，應盡可能加大傳遞扭矩的錐面面積。若兩錐面實際貼合的面積太小，就相當于整個齒輪軸所傳遞的扭矩只由那一部分較小的貼合面積來承擔，這樣勢必會大大增加實際貼合面上的力矩，若超過一定的極限，會導致錐面的實際貼合面無法承受巨大的扭矩，就會使兩貼合錐面產生相對運動，從而使定位導向的半圓鍵受力，間接地導致鍵槽受力，致使鍵槽崩潰變形，或在鍵槽處萌生裂紋，最終導致凸輪軸斷裂。
為了保證兩錐面有足夠的有效貼合面積，必須要嚴格檢查貼合面積。檢查方法用紅印油涂在被檢驗的錐面上，看接觸面積，接觸面積不得小于80%，如不符合要求，輕者可用細研磨砂少量機油，使兩配合面互研，嚴重的必須報廢。同時兩錐面在裝配時應嚴格清洗，保證無任何雜質殘留在配合表面上。
5.3材料選用改進
對于泵端壓力要求特別高的油泵(大于1200bar)， 20Cr材料常常無法滿足疲勞強度的要求的條件下；可改用高T值材料。目前國內已有單位改用15CrMn及18CrNiWA鋼制造大馬力柴油機上油泵齒輪軸。
5.4改進熱處理工藝
從第三章的分析可知，熱處理質量的優(yōu)劣，直接而又嚴重地影響凸輪軸的各項力學性能及金相組織，從而也就間接影響齒輪軸的使用壽命。
Ritchi和Fine對疲勞斷裂的研究表明:組織嚴重影響著裂紋的萌生與擴展。因此為了提高疲勞壽命，就要使材料組織有最大的裂紋萌生及擴展抗力。我們對熱處理工藝的改進就是為了尋求這樣的組織，即能阻止裂紋的萌生和擴展。本課題從改善齒輪軸的表面熱處理質量，減少應力集中系數及提高凸輪軸的疲勞強度出發(fā)對熱處理滲碳及高頻退火工藝進行了一些改進，取得了滿意的效果。
5.4.1工藝改進設想
自從八十年代引進德國Bosch公司的油泵生產技術開始，齒輪軸的熱處理工藝都是以德國Bosch公司的生產工藝作為藍本，其中包括各項工藝參數及工藝過程。Bosch公司對齒輪軸的錐體部位進行高頻退火來降低硬度提高塑、韌性，而且效果顯著，從未發(fā)現該處由于熱處理質量問題而產生斷裂。這說明錐體部位在滲碳淬火后應該降低硬度，提高塑韌性。為了驗證該工藝在實際應用中的效果，進而采用的材料為20Cr，化學成分列于表5-2
表5-2 試驗用鋼20Cr的化學成化（w%）
5.5小結
1.設計上改進，主要是結構上優(yōu)化設計，增大鍵槽等圓角過渡。
2.機械加工主要是提高表面光潔度及錐面加工精度。
3.提高材料的疲勞強度。
4，改進熱處理工藝。
總 結
畢業(yè)設計是我第一次系統(tǒng)的、全面、獨立地進行設計工作。在設計過程中，不但鞏固了專業(yè)知識，加深了對知識的融會貫通，更為重要是是，培養(yǎng)了我嚴謹務實的工作作風，鍛煉了我分析問題，解決問題的能力。這對我畢業(yè)后調整自我，盡快勝任工作將產生很大的作用。
在畢業(yè)設計過程中，充分體會到搜集資料的重要性。一時不經意中發(fā)現的一段話，可我解開心中的迷惑，豁然開朗。有時卻發(fā)現自己頗為得意的觀點早已成為昨日黃花。
在確定總體方案時，遍覽資料，卻發(fā)現基本上大同小異，大部分只是針對某一特定齒輪而設計的專用的的試驗臺，如果只是稍作調整根本無法實現設計目的。于是只能拋開現有技術，重新進行總體結構設計。但是由于經驗不足，考慮不周，在著手設計的過程中提出的幾個方案均告夭折，幾易其稿，卻發(fā)現很難實現對現有技術的創(chuàng)新。設計工作一度陷入泥潭，進退兩難。最終，在楊湘紅老師的指導下，提出了本設計中采用的方案。
通過本次畢業(yè)設計，也暴露出很多不足。在畢業(yè)設計的初期，在構思方案的過程中，表現的有些急功近利，方案的提出帶有明顯的主觀性。在方案確定后，具體的設計過程中，暴露出知識面不夠寬，考慮不夠全面，有些因素沒有考慮到，有些問題無法解決。
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