摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿滾針軸承失效分析及產(chǎn)品改進(jìn)研究

五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)I摘 要摩托車連桿滾針軸承的運(yùn)動(dòng)及受力狀態(tài)比較復(fù)雜，現(xiàn)針對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿滾針軸承失效樣品作失效分析。分析表明承受載荷過大，滾針的表面應(yīng)力分布不均，保持架和連桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐磨性不足等原因是連桿滾針軸承發(fā)生早期失效的主要因素。針對(duì)產(chǎn)品的失效原因，提出滾針的凸度技術(shù)以消除滾針的邊緣效應(yīng)，提出保持架和連桿的熱處理技術(shù)以改善保持架和連桿的抗疲勞能力和耐磨性等工藝改進(jìn)方案，協(xié)助生產(chǎn)廠家改進(jìn)產(chǎn)品性能并提高其使用壽命。關(guān)鍵詞 滾針軸承；失效分析；工藝改進(jìn)；摩托車五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)IIAbstractMotion of motorcycle connecting rod needle bearing and force it bears are very complicated. For a model of the engine connecting rod needle bearing failure samples for failure analysis. Analysis showed that the bearing load is too large, uneven distribution of needle surface stress, the cage and the connecting rod of a lack of structural strength and wear resistance due to early failure of the connecting rod needle bearing main factors. Reasons for product failure occurs, raise the crown needle technology, heat treatment of the cage and the connecting rod technology, used to improve the needle of the “Edge effect“ and to raise the cage and the connecting rods resistance to fatigue and wear resistance, etc. process improvement program to help manufacturers improve product performance and increase its service life.Keywords Needle roller bearings Failure Analysis Process Improvement motorcycle五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)III目 錄摘 要 .IAbstract .II第 1 章 緒論 .11.1 課題的提出 .11.2 本課題國內(nèi)狀況 .41.3 滾動(dòng)軸承國內(nèi)外狀況與研究方法 .61.4 三輪摩托車的國內(nèi)市場狀況 .7本章小結(jié) .8第 2 章 連桿滾針軸承失效分析 .92.1 連桿滾針軸承接觸疲勞失效 .102.1.1 點(diǎn)蝕 .102.1.2 疲勞剝落 .112.1.3 影響疲勞失效的因素 .122.2 磨損失效 .132.2.1 磨粒磨損 .132.2.2 粘著磨損 .142.3 燒傷損壞 .152.4 塑性變形失效 .162.5 微觀分析 .172.6 連桿滾針軸承的潤滑 .182.6 連桿滾針軸承失效總結(jié) .202.7 軸承的壽命計(jì)算 .21本章小結(jié) .22第 3 章 連桿滾針軸承改進(jìn)方法研究 .233.1 連桿滾針軸承工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)及受力分析 .233.1.1 運(yùn)動(dòng)分析 .233.1.2 受力分析 .233.2 滾針軸承 .263.2.1 滾針的標(biāo)準(zhǔn) .263.2.2 滾針凸度對(duì)軸承壽命的影響 .273.2.3 滾針凸度的合理設(shè)計(jì) .273.2.4 目前設(shè)計(jì)在存在的問題 .29五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)IV3.2.5 改進(jìn)意見 .293.2.6 滾針的凸度計(jì)算設(shè)計(jì) .303.3 滾針軸承保持器 .323.3.1 保持架的鎖針 .323.3.2 “M”型保持架 .333.3.3 “K”型保持架 .333.3.4 保持架徑向定位 .353.3.5 保持架表面處理 .353.3.6 滾針和保持器的熱處理 .36本章小結(jié) .37第 4 章 連桿滾針軸承的工藝改進(jìn)措施 .384.1 滾針的工藝改進(jìn)措施 .384.1.1 滾針的凸度加工 .384.1.2 對(duì)數(shù)型凸度滾針超精研導(dǎo)輥的設(shè)計(jì)與加工 .394.2 滾針軸承保持架的工藝改進(jìn)措施 .434.2.1 鎖針部位主參數(shù)的確定 .434.2.2 保持架表面處理 .454.3 連桿滾針軸承的游隙 .454.3.1 影響軸承徑向工作游隙的因素 .454.3.2 軸承徑向游隙的合理選擇 .474.3.3 M 型保持架的滲碳工藝 .47本章小結(jié) .48第五章 連桿滾針軸承現(xiàn)階段改進(jìn)后的效果 .495.1 滾針軸承的改進(jìn) .495.2 連桿的改進(jìn) .52本章小結(jié) .58第六章 連桿滾針軸承的有限元分析 .596.1 滾針軸承的有限元分析 .596.2 連桿的有限元分析 .62本章小結(jié) .64結(jié)論 .65參考文獻(xiàn) .66致謝 .67五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1第 1 章 緒論1.1 課題的提出三輪摩托車作為一種運(yùn)輸機(jī)械，適用于城鄉(xiāng)之間的中、短途運(yùn)輸，由于該類車體積小、價(jià)格低、操作簡便、方便實(shí)用，從而深受廣大農(nóng)民和城鄉(xiāng)個(gè)體勞動(dòng)者的喜愛。近年來，隨著城鄉(xiāng)道路建設(shè)質(zhì)量的不斷提高，對(duì)車輛駕駛舒適性要求也逐漸從路面轉(zhuǎn)向了車輛自身，而發(fā)動(dòng)機(jī)作為直接與駕駛者接觸的部件，對(duì)駕駛的舒適性和安全性的影響是不言而喻的。三輪摩托車與二輪摩托車在使用上的主要區(qū)別是行駛速度較低：一般三輪摩托車在道路上行駛時(shí)最高時(shí)速為 30km/h。而二輪摩托車在城市道路上行駛時(shí)最高時(shí)速為 50 km/h，在封閉的機(jī)動(dòng)車專用道路和公路上行駛時(shí)最高時(shí)速為 60 km/h。三輪摩托車常用于運(yùn)載重物，較二輪摩托車負(fù)荷高?？紤]用途和使用環(huán)境，一些廠家直接選用首選排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，如 125 ml、150 ml 的發(fā)動(dòng)機(jī)，功率大，動(dòng)力強(qiáng)勁，比較適合載重和長途行駛。但是，我國某些三輪摩托車的質(zhì)量在出廠前根本沒有完善的質(zhì)量保證體系對(duì)其進(jìn)行保證，在市場上銷售，質(zhì)量問題較多，如發(fā)動(dòng)機(jī)故障、車架斷裂、斷軸、制動(dòng)失靈、油路起火等大的質(zhì)量問題。 其主要原因是：企業(yè)為滿足消費(fèi)者對(duì)三輪摩托車高承載、低油耗的使用需求和追求利潤，對(duì)整車局部外形和發(fā)動(dòng)機(jī)型式進(jìn)行了變型設(shè)計(jì)，如風(fēng)冷改水冷，擴(kuò)缸等。尤為嚴(yán)重的是，將某 125ml 發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)缸后（有風(fēng)冷機(jī)型，有水冷機(jī)型） ，變成 150ml 排量發(fā)動(dòng)機(jī)，裝到原設(shè)計(jì)為 150ml 排量的摩托車上，屬于典型的小馬拉大車。這些小排量發(fā)動(dòng)機(jī)只經(jīng)過簡單的擴(kuò)缸（即加大活塞、活塞環(huán)、活塞銷和氣缸）等進(jìn)行改變。而沒有對(duì)其他如曲柄連桿組件、曲軸箱及主軸承等支撐件、運(yùn)動(dòng)零件進(jìn)行認(rèn)真的分析研究和改進(jìn)。發(fā)動(dòng)機(jī)完全沒有儲(chǔ)備功率和扭矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于高速、高溫、高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，提前消耗了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)能，使機(jī)件嚴(yán)重磨損，最終造成發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命大大縮短。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)2圖 1-1 曲柄連桿總成作為三輪摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的部件的曲柄連桿總成（圖 1-1） ，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到三輪摩托車駕駛舒適性、安全性和工作可靠性。曲柄連桿總成是三輪摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)重要部件，其中受力較大、工藝復(fù)雜、制造精度要求高的是帶圓柱滾子的滾針軸承，如圖 1-2。滾針軸承是帶圓柱滾子的滾子軸承，相對(duì)其直徑，滾子既細(xì)又長(滾子長度為直徑的 310 倍，直徑一般不大于 5mm )，這種滾子稱為滾針。盡管具有較小的截面，滾針軸承仍具有較高的負(fù)荷承受能力，因此，特別適用十徑向空間受限制的場合。圖 1-2 滾針軸承近幾年，隨著中央富農(nóng)政策和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，三輪摩托車已成為農(nóng)民朋友致富的“好幫手”。三輪摩托車承載能力適中，道路適應(yīng)性強(qiáng)，既適用于農(nóng)戶自產(chǎn)自銷式的小規(guī)模經(jīng)營，又適用干短途載客，是農(nóng)民增加收人的重要工具。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村，三輪摩托車成了更多農(nóng)民替代牛車和自行車的代步工具，快捷、方便、價(jià)位低、操作簡單的特點(diǎn)，正好迎合了農(nóng)村的消費(fèi)需求。三輪摩托車在客、貨運(yùn)輸方面發(fā)展迅速，也使許多城市下崗職工紛紛加人了這種投資小、見效快、技術(shù)要求不高的經(jīng)營隊(duì)伍。貨運(yùn)三輪摩托車在農(nóng)村和城鎮(zhèn)得到了廣泛使用。在實(shí)際使用過程中，三輪摩托車駕駛員經(jīng)常出現(xiàn)裝載貨物超載或超員載人等違規(guī)現(xiàn)象，從而發(fā)動(dòng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)過熱停機(jī)或曲柄連桿總成損壞等故障的產(chǎn)生。如曲柄連桿總成中滾針軸承組件的滾針軸承潤滑不良、滾針磨損、保持架破壞、連桿大頭內(nèi)壁損壞等失效情況。此外還有：(1)曲軸斷裂，行駛途中曲柄軸突然斷裂，打壞曲軸箱，造成整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢；(2)連桿斷裂，導(dǎo)致活塞、缸體、曲軸箱損壞；(3）活塞銷斷裂，導(dǎo)致活塞、連桿、缸體損壞；(4）曲軸明顯彎曲變形，造成主軸承報(bào)廢，需更換等。三輪摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的損壞發(fā)生過載失效和疲勞破壞的主要部分是發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿滾針軸承裝置（見圖 1-3，圖 1-4，圖 1-5，圖 1-6） 。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)3圖 1-3 連桿滾針軸承失效樣品圖 1-4 滾針軸承失效樣品五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)4圖 1-5 曲柄連桿損壞樣品圖 1-6 曲柄銷損壞樣品目前全國三輪摩托車每年有 300 多萬輛的產(chǎn)銷規(guī)模，全面、系統(tǒng)的研究“高速重荷摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿總成”提高整車的質(zhì)量，勢在必行。1.2 本課題國內(nèi)狀況三輪摩托車是一種應(yīng)用廣、快速、經(jīng)濟(jì)、舒適的交通、運(yùn)動(dòng)工具，它具有靈活、輕便、機(jī)動(dòng)和高速等特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代摩托車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)融合了機(jī)電技術(shù)、信息與數(shù)字化技術(shù)、控制與測試技術(shù)、新工藝技術(shù)和新材料技術(shù)等諸多高新技術(shù)，成為了一種技術(shù)含量很高的產(chǎn)品，是名副其實(shí)的技術(shù)密集型和資金密集型產(chǎn)業(yè)。2008 年，全球摩托車產(chǎn)量約 4500 萬輛，中國、日本和意大利三個(gè)摩托車生產(chǎn)大國，產(chǎn)量超過世界摩托車總量的 80%，出口量占世界摩托車總量的一半以上。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)5提高摩托車整車及發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，零部件是關(guān)鍵。而目前我國摩托車零部件質(zhì)量水平普遍不高，有影響、上規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)不多，大部分企業(yè)由于資金所限，不能實(shí)現(xiàn)技術(shù)改造和設(shè)備引進(jìn)，從而陷入了技術(shù)落后，質(zhì)量下降，利潤減少的惡性循環(huán)。據(jù)有關(guān)資料介紹，歐、美、日等摩托車強(qiáng)國的各種汽油機(jī)，早已實(shí)施 200 小時(shí)以上的全負(fù)荷強(qiáng)化試驗(yàn)，平均無故障間隔時(shí)間超過 1000 小時(shí)。而在我國 20 世紀(jì) 80 年代才將可靠性工程應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)行業(yè)，且只有 100h 強(qiáng)化試驗(yàn)（其中包含 20h 的低負(fù)荷磨合運(yùn)轉(zhuǎn)），實(shí)際滿負(fù)荷試驗(yàn)只有 80 小時(shí)。應(yīng)盡快采取切實(shí)有效的措施，加以改進(jìn)，并落實(shí)到摩托車產(chǎn)品的試驗(yàn)中去，減少與國外先進(jìn)水平的差距。我國摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)配件設(shè)計(jì)方法落后。相對(duì)摩托車工業(yè)發(fā)達(dá)國家來說，我國摩托車綜合技術(shù)水平落后約 10-15 年。目前仍然停留在盲目仿照國外機(jī)型的零配件，極少有配件企業(yè)采用 CAD/CAM/CAE 等軟件對(duì)零件進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析以及與整機(jī)分析研究。滾針軸承是摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的機(jī)械零部件，其壽命直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。滾針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的一點(diǎn)就是滾針的凸度設(shè)計(jì)，滾針軸承凸度設(shè)計(jì)的目的，是消除或減少滾子與滾道間的壓力分布，因其有限長線接觸副所造成在接觸區(qū)域兩端出現(xiàn)壓力奇異分布的邊緣效應(yīng)，或者在中部出現(xiàn)壓力集中的現(xiàn)象，從而等強(qiáng)度利用接觸線上每一點(diǎn)的材料性能，提高滾針軸承的承載能力，使用壽命和抗偏斜載荷的能力。目前，國內(nèi)的不少滾針生產(chǎn)廠家缺乏對(duì)滾針凸度的真正意義上的研究。沒有對(duì)滾針的凸型和凸度量進(jìn)行系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)，導(dǎo)致滾針質(zhì)量較國外先進(jìn)行業(yè)的同類產(chǎn)品的承載能力和使用壽命都有很大的距離。滾針的凸度技術(shù)包括滾針的凸度設(shè)計(jì)、凸度滾針生產(chǎn)和滾針凸度的檢測技術(shù)。在國內(nèi)，由于歷史的原因，現(xiàn)代軸承工業(yè)本身起步較晚。特別是近幾年，各大軸承企業(yè)由于各方面的原因，軸承 CAE 的研究工作沒有取得太大的進(jìn)展。而中小企業(yè)本身基礎(chǔ)較差、技術(shù)力量薄弱。技術(shù)上的落后狀態(tài)一直未得到根本上的改變，也無暇從事這方面的研究工作。但是可喜的是，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及人們思想觀念的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)有部分企業(yè)和高校在應(yīng)用有限元法解決軸承問題方面做出了有益的探索和研究。如羅繼偉博士在 80 年代初，將子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)引入有限元法，并將該思想進(jìn)一步引入到滾動(dòng)軸承彈性接觸問題的分析中，研究了多體彈性接觸問題，對(duì)鐵路軸承與承載鞍系統(tǒng)進(jìn)行了有限元分析，提出了改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過疲勞實(shí)驗(yàn)測試，取得了成功。馬家駒在 90 年代初期對(duì)圓柱滾子凸度進(jìn)行了三維的數(shù)值分析，給出了凸度的計(jì)算方法，有效地減少了滾子邊緣應(yīng)力。最近幾年，商業(yè)有限元軟件在求解接觸問題上取得了很大的發(fā)展，如ANSYS，MARC 等軟件在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。2001 年洛陽軸承研究所購進(jìn)了 ANSYS和 MARC 有限兀分析及仿真大型有限元(CAE)軟件。瓦房店軸承集團(tuán)公司、西北軸承集團(tuán)公司及萬向集團(tuán)公司也相繼購入了 ANSYS 和 MARC 等相關(guān)的有限元軟件，在國內(nèi)軸承企業(yè)中已率先開始了在這方面的研究，取得了一定的成績。洛陽軸承研究所通過幾年的研究，已基本上解決了人們對(duì) CAE 軟件能否解決軸承問題、求解結(jié)果是否可靠的問題，在鐵路貨車軸承的研究方面，應(yīng)用 ANSYS 分析軟件也取得了一些成果。五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)61.3 滾動(dòng)軸承國內(nèi)外狀況與研究方法早期，人們只是根據(jù)簡單的力學(xué)關(guān)系，理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來分析確定軸承的承載和運(yùn)動(dòng)情況，這顯然是很粗糙的。Stribeck 首先應(yīng)用 Hertz 理論建立了球軸承的靜力分析模型，并于 1901 年推導(dǎo)出鋼球的最大載荷 Qmax 與徑向載荷 F 之間的關(guān)系。Palmgren 等人對(duì)軸承在徑向、軸向和力矩載荷作用下的變形與滾動(dòng)體載荷分布進(jìn)行了分析。在傳統(tǒng)靜力學(xué)分析方法的基礎(chǔ)上，Jones A B 首先于 1959 年提出了擬動(dòng)力學(xué)分析方法，他用套圈控制理論建立的擬動(dòng)力學(xué)分析模型考慮了鋼球的離心力和陀螺力矩，并把其與外載荷一起計(jì)入到每個(gè)軸承元件的力和力矩平衡方程中，然后對(duì)這一組非線性方程采用Newton-Raphson 迭代法進(jìn)行求解，可得到鋼球上的真實(shí)載荷分布、可接受的疲勞壽命預(yù)測及軸承剛度。滾道控制理論的不足之處是未考慮潤滑劑的作用，因此不能正確地預(yù)測軸承內(nèi)部的滑動(dòng)。隨著彈流理論(EHL)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)軸承中鋼球與滾道接觸處存在有彈流油膜，可避免金屬直接接觸，并能較精確地推算出彈流油膜的形狀、厚度及壓力分布。Harris T A 在此基礎(chǔ)上建立了球軸承的新分析模型，Poplawski 于 1972 年對(duì) Harris 的方法做了改進(jìn)，考慮的因素更為全面。Rumbarge:又提出了分析理論，使擬動(dòng)力學(xué)分析理論更趨完善。在高速狀態(tài)下，球軸承各元件的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)軸承性能的影響不容忽視。Walters C T 在 1971 年首先提出了動(dòng)力學(xué)分析模型，考慮了鋼球的四個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)方程和保持架六自由度運(yùn)動(dòng)方程，利用 4 階龍格庫塔法進(jìn)行積分，可計(jì)算出軸承在任意時(shí)刻鋼球及保持架的位移、轉(zhuǎn)速以及軸承內(nèi)部的滑動(dòng)等。1977 年，Harris T A 等進(jìn)一步發(fā)展了Walters C T 的分析模型，考慮了鋼球受力與力矩不平衡時(shí)產(chǎn)生的慣性力和慣