第二章节汽车零件失效理论幻灯片

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1、2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,汽车维修工程,主讲教师：刘占峰,第二章 汽车零部件失效理论,要点: 1、汽车零部件失效的概念、分类及原因 2、汽车零部件失效机理、特征及规律 3、提高汽车可靠性和使用寿命的途径,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,2-1 汽车失效规律,技术状况参数：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、转矩、油耗、排放，汽车噪声和踏板自由行程等。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,一、汽车技术状况,1.汽车技术状况概述 汽车技术状况是指能够定量测得的、表征某一时刻汽车外观和性能的参数值的总和。,表征汽车技术状况的参数,结构参数

2、：表征汽车结构的各种特性的物理量。如几何尺寸、声学、电学和热学参数等。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,汽车技术状况的表述,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，即汽车技术状况的各种参数值都符合技术文件的规定。,汽车不良技术状况 指汽车不符合技术文件中规定的任一要求的状况。处于不良技术状况的汽车有以下几种可能：,主要使用性能指标不符合技术文件的规定；,主要使用性能指标完全符合技术文件的规定，仅外观、外形及其他次要性能参数值不符合技术文件的规定，且不影响汽车完全发挥自身的功能。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,2.汽车的工作能力与汽车故障,汽车的工作

3、能力 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。,汽车故障 汽车故障是指汽车部分或完全丧失工作能力的现象。 只要汽车的工作能力遭到破坏，汽车就处于故障状态。如汽车的油耗或排放超出了技术文件的规定，汽车虽然仍可继续行使，但它是处于故障状态的。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,3.汽车技术状况变化的外观特征,1）汽车动力性变差。（功率、加速时间）,2）汽车燃料消耗量和润滑油消耗量显著增加。,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）汽车在行使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

4、靠性变差，使汽车因故障停驶的时间增加。,二、汽车零部件失效规律,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,1.失效的概念,失效 汽车零部件失去原设计规定的功能成为失效。 失效不仅是指完全丧失原定功能，而且还包含功能降低和有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性和安全性的零部件。,失效模式 是指失效件的宏观特征。,失效机理 导致零部件失效的物理、化学或机械的变化原因。,2.汽车技术状况的变化类型 渐进型 汽车技术状况的参数是随行使里程或时间作单调变化的，可用一定的回归函数式表示其变化律。 对于渐进性故障，原则上可通过及时的维修来防止故障的发生；同时，还可以通过其变化规律来预测故障的发生和对汽车

5、进行不解体检测。 汽车零部件的磨损、间隙变化和机油消耗量以及润滑油中杂质的含量都按这一规律变化。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,突发型 汽车技术状况的变化过程是随机的，没有确定的形式，无规律可循，即汽车的总成或部件达到极限状态时间是随机的、偶发的。 一般受汽车的使用条件、操作水平、零件材料的不均匀性及隐伤和缺陷等随机因素所影响。如车架、曲轴、转向节指轴的疲劳断裂，就会在瞬间使汽车丧失工作能力，而与进入故障的概率和汽车过去的工作状况无关。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,三、汽车失效的原因,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,设计制造：设计不合理、制造工艺

6、不当、材料选择不当、加工及配合精度不够等；（案例：巴盟噔口农用车转向节指轴断裂）,使用与维修 ：超载、超速、润滑效果不良、滤清效果不好、违反操作规程等；零件清洁度不够、装配不良、零件修复工艺不当等。,工作条件： 1）道路条件的影响 路面的平整度； 2）运行条件的影响 交通流量； 3）运输条件的影响 作业性质； 4）气候条件的影响 环境温度、湿度和风速。,零件耗损：磨损、变形、疲劳断裂、腐蚀、老化。,2-2 汽车零部件失效分析,汽车零部件的失效分析，是研究汽车零部件丧失规定功能的原因、特征和规律，其目的是提高汽车的可靠性和使用寿命。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,磨损：磨料磨损、

7、粘着磨损、疲劳磨损、 腐蚀磨损、微动磨损；,老化：龟裂、变硬。,一、汽车零部件失效类型,变形：弹性变形和塑性变形；,疲劳断裂：高应力低周疲劳、低应力高周疲劳、腐蚀疲劳、 热疲劳；,腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀、穴蚀；,二、汽车零件摩擦基础知识,1.概念 两物体之间相互运动，使其接触表面产 生运动阻力的现 象称为摩擦。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,2.分类 按零件表面润滑状态的不同，摩擦可分为以下四种类型。,固体摩擦（干摩擦）,摩擦副之间完全没有润滑介质时的摩擦。 处于干摩擦状态下的摩擦副表面会产生较大的运动阻力，使零件表面急剧磨损；所以，汽车上除了有意加以利用的特殊场合外，一般

8、不希望发生干摩擦。,汽车上离合器、制动器的摩擦副属于干摩擦；气缸壁上部与活塞环之间以干摩擦和边界摩擦为主；曲轴轴径和轴承之间，在工作过程中受冲击载荷作用时会出现干摩擦。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,流体摩擦（液体摩擦）,相对运动的摩擦副表面不直接接触，而是被一层厚度为1.52.0m的润滑油膜完全隔开的摩擦。 处于流体摩擦状态下的摩擦副，其摩擦阻力很小（k=0.0010.008），因此零件的磨损也非常轻微。 汽车上大部分摩擦副在正常状态下都处于流体摩擦。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,边界摩擦,在边界摩擦状态下，由于摩擦副表面之间的油膜厚度很小，在工作中受冲击载

9、荷和高温等作用很容易被破坏，所以不如流体摩擦可靠。,相对运动的摩擦副表面之间被一层极薄的（通常只有几个分子直径，1个分子直径=10-10 m ）、具有特殊性质的润滑油膜所隔开的摩擦。 当流体摩擦的润滑油膜形成的条件不断恶化时（如润滑油粘度变低、摩擦副表面相对运动速度持续降低或外载荷不断增大），流体摩擦将逐渐演变为边界摩擦。,两摩擦副表面之间同时存在干摩擦、流体摩擦和边界摩擦的摩擦。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,混合摩擦,把零件的摩擦分为干摩擦、流体摩擦和边界摩擦只是为了讨论问题方便而已。实际上，零件通常都是在混合摩擦状态下工作的；各类摩擦是可以相互转换的，其摩擦状态随工作条件

10、的变化而变化。如 ：长时间停车后重新起动的发动机，其气缸壁与活塞环摩擦副表面之间的摩擦。,三、汽车零件磨损,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,1.汽车零件磨损的概念 汽车零件的磨损是指零件工作表面的物质由于相对运动而不断耗损的现象。,磨损是伴随摩擦而产生的必然结果，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；,磨损是个十分复杂的现象，它与零件的 材料、形状、硬度、表面加工质量、受力状况、工作条件（载荷、温度、相对运动速度、润滑条件）等有关；,磨损失效是影响汽车零件可靠性的主要因素，汽车上大约有75的零件是由于磨损而报废的。,2007年6月,能源与动力工

11、程学院交通运输系,2.汽车零件磨损的分类 按照零件的表面破坏机理和特征可将汽车零件的磨损分为: 磨料磨损 粘着磨损 表面疲劳磨损 腐蚀磨损 微动磨损 各类磨损的内容及特点如下表。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,3.汽车零件磨损失效分析 磨料磨损 1）磨料磨损的概念 物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失的现象称为磨料磨损。 磨科磨损是最常见的，同时也是危害最为严重的磨损 形式。在各类磨损形式中，它大约占磨损总消耗的50。 2）磨料磨损的失效机理 磨料磨损机理是属于磨料的机械作用，这种机械作用在很大程度上与磨料的性质、形状、尺寸大小以及载荷作用下磨料

12、与被磨表面的机械性能有关；对于汽车零件磨料磨损的失效机理，目前存在四种假说。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,以微量切削为主的假说, 磨料磨损是由于磨料从金属表面切下微量切屑而造成的。其依据是实验室里磨料磨损试验所获得的磨屑像切削加工的切屑一样，呈螺旋弯曲形。,该假说人为：, 当塑性金属被固定的磨料摩擦时，在金属表面发生两个过程： 塑性挤压形成擦痕 切削金属形成磨屑,在摩擦过程中，大部分磨料在金属表面上只留下两侧凸起的擦痕，小部分磨料即棱面将切削金属形成切屑。,滚动接触疲劳破坏产生的微粒多呈球形。,2007年6月,能源与动力工程学院交

13、通运输系,以疲劳破坏为主的假说,压痕两侧金属已经受到破坏，其它磨料很容易使其脱落。,该假说认为金属同磨料摩擦时，金属的同一显微体积经多次塑性变形，使金属产生疲劳破坏，呈小颗粒从表层上脱落下来。但并不排除同时存在磨料直接切下金属的过程。,以压痕为主的假说,对塑性较大的材料，磨料在压力作用下压入材料表面，在摩擦过程中，压入的磨料犁耕另一金属表面，形成沟槽，使金属表面受到严重的塑性变形；,3.汽车零件磨损失效分析,实验证明，对于脆性材料，若磨料棱角尖锐、尺寸大，且施加载荷高时，以断裂过程产生的磨损占主要地位，故磨损率很高。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,以断裂为主的假说,该假说主要针

14、对脆性材料，以脆性断裂为主。,当磨料压入和擦划金属表面时，压痕处的金属产生变形，磨料压入的深度达到临界深度时，随压力面产生的拉伸应力足以使裂纹产生。,裂纹主要有两种形式，一种是垂直于表面的中间裂纹，另一种是从压痕底部向表面扩展的横向裂纹。,在这种压入条件下，横向裂纹相交或扩展到表面时，材料微粒便产生脱落、形成磨屑。由于裂纹能超过擦痕的边界，所以断裂引起的材料迁移率可能比塑性变形引起的材料迁移率大得多。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,3）磨料磨损的特点,V磨损体积； W法向载荷； L摩擦副表面相对滑移距离； y材料的屈服极限； H摩擦副中较软一方的硬度； K磨料磨损系数，与摩擦条

15、件（摩擦材料的性质、磨料的 性质及润滑条件等）有关。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,3）磨料磨损的特点,磨损量与摩擦副所承受的发向载荷W、摩擦副之间的相对滑移距离L以及磨料的硬度成正比；,磨损量与摩擦副材料的屈服极限y、硬度H以及摩擦副间的相对滑移速度成反比；,在其他条件相同的条件下，磨料尺寸与摩擦副的配合间隙相近时，磨损量最大。,创造良好的润滑条件。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,4）减轻磨料磨损的措施,对于汽车零件来说，磨料磨损的发生一般处于两种情况：,粗糙的硬表面将软的摩擦副表面划伤；,由于汽车工作环境所带来的磨料以及摩擦表面脱落并在摩擦中被强化了的颗粒所

16、产生的作用。,因此，减轻磨料磨损的具体措施有：,汽车零件在设计上应选择合适的耐磨材料；在制造过程中，应尽量提高零件的表面加工质量与硬度。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,4）减轻磨料磨损的措施,在使用与维修中，应设法防止外界磨料进入各总成内部，并进行良好的维护。,避免汽车在含尘率大的土路上列队行驶；,防止燃油、润滑油在存储和运输中混入杂质；,改善“三滤”的滤清质量；,密封曲轴箱、变速器壳体、驱动桥壳体、进气管接头等；,加强总成装配前的清洁工作。,3.汽车零件磨损失效分析,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,粘着磨损,1）粘着磨损的概念 摩擦副相对运动时，由于固相焊合作用的结果，造成接触面金属耗损的现象，称为粘着磨损。 粘着磨损是缺油或油膜被破坏后（大负荷、高温等），发生干摩擦的结果。严重时会使摩擦副咬死，如“抱轴”。,2007年6月,能源与动力工程学院交通运输系,2）粘着磨损的