《发动机连杆滚针轴承失效分析及产品改进研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发动机连杆滚针轴承失效分析及产品改进研究.docx（73页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、五邑大学本科毕业设计摘 要 摩托车连杆滚针轴承的运动及受力状态比较复杂，现针对某型号发动机的连杆滚针轴承失效样品作失效分析。分析表明承受载荷过大，滚针的表面应力分布不均，保持架和连杆的结构强度和耐磨性不足等原因是连杆滚针轴承发生早期失效的主要因素。针对产品的失效原因，提出滚针的凸度技术以消除滚针的边缘效应，提出保持架和连杆的热处理技术以改善保持架和连杆的抗疲劳能力和耐磨性等工艺改进方案，协助生产厂家改进产品性能并提高其使用寿命。关键词 滚针轴承；失效分析；工艺改进；摩托车Abstract Motion of motorcycle connecting rod needle bearing an
2、d 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
3、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 con
4、necting 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目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的提出11.2 本课题国内状况41.3 滚动
5、轴承国内外状况与研究方法61.4 三轮摩托车的国内市场状况7本章小结8第2章 连杆滚针轴承失效分析92.1 连杆滚针轴承接触疲劳失效102.1.1点蚀102.1.2 疲劳剥落112.1.3 影响疲劳失效的因素122.2 磨损失效132.2.1 磨粒磨损132.2.2 粘着磨损142.3 烧伤损坏152.4 塑性变形失效162.5 微观分析172.6 连杆滚针轴承的润滑182.6 连杆滚针轴承失效总结202.7 轴承的寿命计算21本章小结22第3章 连杆滚针轴承改进方法研究233.1连杆滚针轴承工作时的运动及受力分析233.1.1运动分析233.1.2受力分析233.2滚针轴承263.2.1 滚
6、针的标准263.2.2 滚针凸度对轴承寿命的影响273.2.3 滚针凸度的合理设计273.2.4 目前设计在存在的问题293.2.5 改进意见293.2.6滚针的凸度计算设计303.3 滚针轴承保持器323.3.1保持架的锁针323.3.2 “M”型保持架333.3.3 “K”型保持架333.3.4 保持架径向定位353.3.5 保持架表面处理353.3.6 滚针和保持器的热处理36本章小结37第4章 连杆滚针轴承的工艺改进措施384.1 滚针的工艺改进措施384.1.1滚针的凸度加工384.1.2 对数型凸度滚针超精研导辊的设计与加工394.2 滚针轴承保持架的工艺改进措施434.2.1 锁
7、针部位主参数的确定434.2.2 保持架表面处理454.3 连杆滚针轴承的游隙454.3.1 影响轴承径向工作游隙的因素454.3.2 轴承径向游隙的合理选择474.3.3 M型保持架的渗碳工艺47本章小结48第五章 连杆滚针轴承现阶段改进后的效果495.1 滚针轴承的改进495.2 连杆的改进52本章小结58第六章 连杆滚针轴承的有限元分析596.1 滚针轴承的有限元分析596.2 连杆的有限元分析62本章小结64结论65参考文献66致谢6769第1章 绪论1.1 课题的提出三轮摩托车作为一种运输机械，适用于城乡之间的中、短途运输，由于该类车体积小、价格低、操作简便、方便实用，从而深受广大农
8、民和城乡个体劳动者的喜爱。近年来，随着城乡道路建设质量的不断提高，对车辆驾驶舒适性要求也逐渐从路面转向了车辆自身，而发动机作为直接与驾驶者接触的部件，对驾驶的舒适性和安全性的影响是不言而喻的。三轮摩托车与二轮摩托车在使用上的主要区别是行驶速度较低：一般三轮摩托车在道路上行驶时最高时速为30km/h。而二轮摩托车在城市道路上行驶时最高时速为50 km/h，在封闭的机动车专用道路和公路上行驶时最高时速为60 km/h。三轮摩托车常用于运载重物，较二轮摩托车负荷高。考虑用途和使用环境，一些厂家直接选用首选排量较大的发动机，如125 ml、150 ml的发动机，功率大，动力强劲，比较适合载重和长途行驶
9、。但是，我国某些三轮摩托车的质量在出厂前根本没有完善的质量保证体系对其进行保证，在市场上销售，质量问题较多，如发动机故障、车架断裂、断轴、制动失灵、油路起火等大的质量问题。 其主要原因是：企业为满足消费者对三轮摩托车高承载、低油耗的使用需求和追求利润，对整车局部外形和发动机型式进行了变型设计，如风冷改水冷，扩缸等。尤为严重的是，将某125ml发动机扩缸后（有风冷机型，有水冷机型），变成150ml排量发动机，装到原设计为150ml排量的摩托车上，属于典型的小马拉大车。这些小排量发动机只经过简单的扩缸（即加大活塞、活塞环、活塞销和气缸）等进行改变。而没有对其他如曲柄连杆组件、曲轴箱及主轴承等支撑件
10、、运动零件进行认真的分析研究和改进。发动机完全没有储备功率和扭矩，使发动机始终处于高速、高温、高负荷状态下运转，提前消耗了发动机的动能，使机件严重磨损，最终造成发动机使用寿命大大缩短。图1-1 曲柄连杆总成作为三轮摩托车发动机中重要的部件的曲柄连杆总成（图1-1），其质量好坏直接关系到三轮摩托车驾驶舒适性、安全性和工作可靠性。曲柄连杆总成是三轮摩托车发动机中的一个重要部件，其中受力较大、工艺复杂、制造精度要求高的是带圆柱滚子的滚针轴承，如图1-2。滚针轴承是带圆柱滚子的滚子轴承，相对其直径，滚子既细又长(滚子长度为直径的310倍，直径一般不大于5mm )，这种滚子称为滚针。尽管具有较小的截面，
11、滚针轴承仍具有较高的负荷承受能力，因此，特别适用十径向空间受限制的场合。图1-2 滚针轴承近几年，随着中央富农政策和西部大开发战略的实施，三轮摩托车已成为农民朋友致富的“好帮手”。三轮摩托车承载能力适中，道路适应性强，既适用于农户自产自销式的小规模经营，又适用干短途载客，是农民增加收人的重要工具。在乡镇和农村，三轮摩托车成了更多农民替代牛车和自行车的代步工具，快捷、方便、价位低、操作简单的特点，正好迎合了农村的消费需求。三轮摩托车在客、货运输方面发展迅速，也使许多城市下岗职工纷纷加人了这种投资小、见效快、技术要求不高的经营队伍。货运三轮摩托车在农村和城镇得到了广泛使用。在实际使用过程中，三轮摩
12、托车驾驶员经常出现装载货物超载或超员载人等违规现象，从而发动机超负荷运转，造成发动机过热停机或曲柄连杆总成损坏等故障的产生。如曲柄连杆总成中滚针轴承组件的滚针轴承润滑不良、滚针磨损、保持架破坏、连杆大头内壁损坏等失效情况。此外还有：(1)曲轴断裂，行驶途中曲柄轴突然断裂，打坏曲轴箱，造成整台发动机报废；(2)连杆断裂，导致活塞、缸体、曲轴箱损坏；(3）活塞销断裂，导致活塞、连杆、缸体损坏；(4）曲轴明显弯曲变形，造成主轴承报废，需更换等。三轮摩托车发动机在实际使用过程中出现的损坏发生过载失效和疲劳破坏的主要部分是发动机的曲柄连杆滚针轴承装置（见图1-3，图1-4，图1-5，图1-6）。图1-3
13、 连杆滚针轴承失效样品 图1-4 滚针轴承失效样品 图1-5 曲柄连杆损坏样品 图1-6 曲柄销损坏样品目前全国三轮摩托车每年有300多万辆的产销规模，全面、系统的研究“高速重荷摩托车发动机曲柄连杆总成”提高整车的质量，势在必行。1.2 本课题国内状况三轮摩托车是一种应用广、快速、经济、舒适的交通、运动工具，它具有灵活、轻便、机动和高速等特点。随着科学技术的发展，现代摩托车产业已经融合了机电技术、信息与数字化技术、控制与测试技术、新工艺技术和新材料技术等诸多高新技术，成为了一种技术含量很高的产品，是名副其实的技术密集型和资金密集型产业。2008年，全球摩托车产量约4500万辆，中国、日本和意大
14、利三个摩托车生产大国，产量超过世界摩托车总量的80%，出口量占世界摩托车总量的一半以上。提高摩托车整车及发动机质量，零部件是关键。而目前我国摩托车零部件质量水平普遍不高，有影响、上规模的生产企业不多，大部分企业由于资金所限，不能实现技术改造和设备引进，从而陷入了技术落后，质量下降，利润减少的恶性循环。据有关资料介绍，欧、美、日等摩托车强国的各种汽油机，早已实施200小时以上的全负荷强化试验，平均无故障间隔时间超过1000小时。而在我国20世纪80年代才将可靠性工程应用到内燃机行业，且只有100h强化试验（其中包含20h的低负荷磨合运转），实际满负荷试验只有80小时。应尽快采取切实有效的措施，加
15、以改进，并落实到摩托车产品的试验中去，减少与国外先进水平的差距。我国摩托车发动机配件设计方法落后。相对摩托车工业发达国家来说，我国摩托车综合技术水平落后约10-15年。目前仍然停留在盲目仿照国外机型的零配件，极少有配件企业采用CAD/CAM/CAE等软件对零件进行静、动态强度分析以及与整机分析研究。滚针轴承是摩托车发动机中重要的机械零部件，其寿命直接影响到发动机的工作性能。滚针结构设计最重要的一点就是滚针的凸度设计，滚针轴承凸度设计的目的，是消除或减少滚子与滚道间的压力分布，因其有限长线接触副所造成在接触区域两端出现压力奇异分布的边缘效应，或者在中部出现压力集中的现象，从而等强度利用接触线上每
16、一点的材料性能，提高滚针轴承的承载能力，使用寿命和抗偏斜载荷的能力。目前，国内的不少滚针生产厂家缺乏对滚针凸度的真正意义上的研究。没有对滚针的凸型和凸度量进行系统的分析设计，导致滚针质量较国外先进行业的同类产品的承载能力和使用寿命都有很大的距离。滚针的凸度技术包括滚针的凸度设计、凸度滚针生产和滚针凸度的检测技术。在国内，由于历史的原因，现代轴承工业本身起步较晚。特别是近几年，各大轴承企业由于各方面的原因，轴承CAE的研究工作没有取得太大的进展。而中小企业本身基础较差、技术力量薄弱。技术上的落后状态一直未得到根本上的改变，也无暇从事这方面的研究工作。但是可喜的是，随着科学技术的进步及人们思想观念
17、的转变，已经有部分企业和高校在应用有限元法解决轴承问题方面做出了有益的探索和研究。如罗继伟博士在80年代初，将子结构分析技术引入有限元法，并将该思想进一步引入到滚动轴承弹性接触问题的分析中，研究了多体弹性接触问题，对铁路轴承与承载鞍系统进行了有限元分析，提出了改进与优化设计方案，通过疲劳实验测试，取得了成功。马家驹在90年代初期对圆柱滚子凸度进行了三维的数值分析，给出了凸度的计算方法，有效地减少了滚子边缘应力。最近几年，商业有限元软件在求解接触问题上取得了很大的发展，如ANSYS，MARC等软件在国内外得到广泛应用。2001年洛阳轴承研究所购进了ANSYS和MARC有限兀分析及仿真大型有限元(
18、CAE)软件。瓦房店轴承集团公司、西北轴承集团公司及万向集团公司也相继购入了ANSYS和MARC等相关的有限元软件，在国内轴承企业中已率先开始了在这方面的研究，取得了一定的成绩。洛阳轴承研究所通过几年的研究，已基本上解决了人们对CAE软件能否解决轴承问题、求解结果是否可靠的问题，在铁路货车轴承的研究方面，应用ANSYS分析软件也取得了一些成果。1.3 滚动轴承国内外状况与研究方法早期，人们只是根据简单的力学关系，理想的运动状态来分析确定轴承的承载和运动情况，这显然是很粗糙的。Stribeck首先应用Hertz理论建立了球轴承的静力分析模型，并于1901年推导出钢球的最大载荷Qmax与径向载荷F
19、之间的关系。Palmgren等人对轴承在径向、轴向和力矩载荷作用下的变形与滚动体载荷分布进行了分析。在传统静力学分析方法的基础上，Jones A B首先于1959年提出了拟动力学分析方法，他用套圈控制理论建立的拟动力学分析模型考虑了钢球的离心力和陀螺力矩，并把其与外载荷一起计入到每个轴承元件的力和力矩平衡方程中，然后对这一组非线性方程采用Newton-Raphson迭代法进行求解，可得到钢球上的真实载荷分布、可接受的疲劳寿命预测及轴承刚度。滚道控制理论的不足之处是未考虑润滑剂的作用，因此不能正确地预测轴承内部的滑动。随着弹流理论(EHL)的发展，人们发现轴承中钢球与滚道接触处存在有弹流油膜，可
20、避免金属直接接触，并能较精确地推算出弹流油膜的形状、厚度及压力分布。Harris T A在此基础上建立了球轴承的新分析模型，Poplawski于1972年对Harris的方法做了改进，考虑的因素更为全面。Rumbarge:又提出了分析理论，使拟动力学分析理论更趋完善。在高速状态下，球轴承各元件的动力学特性对轴承性能的影响不容忽视。Walters C T在1971年首先提出了动力学分析模型，考虑了钢球的四个自由度运动方程和保持架六自由度运动方程，利用4阶龙格库塔法进行积分，可计算出轴承在任意时刻钢球及保持架的位移、转速以及轴承内部的滑动等。1977年，Harris T A等进一步发展了Walte
21、rs C T的分析模型，考虑了钢球受力与力矩不平衡时产生的惯性力和惯性力矩，从而构成了轴承的动力学分析模型。1984年，Gupta PK出版了Advanced Dynamic of Rolling Elements一书，系统地分析了轴承各零件间的相互作用，考虑轴承从开始起动的整个动力学过程，建立了轴承系统的运动微分方程。1991年，Harris T A编著的Rolling Bearing Analysis已出第三版，内容包括滚动轴承理论分析的各主要方面和最新发展的主要成果，被公认为滚动轴承理论和技术方面的权威著作。1996年，Meeks C R建立了保持架六自由度动力学分析模型，并实现了各元件
22、间的不同设计和不同复杂程度的计算机程序，形成了一种经济有效的轴承分析工具。国外，Toshio和Yamamoto对以滚动轴承为支承的转子系统进行研究，发现转子具有多种形式的临界转速，分析认为原因主要是由于滚动轴承的非线性因素造成的。Ehrich研究了高速轴承转子系统的混沌理论。指出倍周期分叉如果接近Feigenbaum常数，响应会出现混沌。此外，许多学者还对轴承转子系统的稳定性进行了相关的理论研究。2从国内外的发展现状看，滚动轴承力学分析的研究经历了静力学分析、拟动力学分析和动力学分析三个阶段。弹流理论的应用标志着静力学分析方法的成熟，然而静力学分析并不能对轴承的一些动态性能进行描述，进而发展到
23、拟动力学分析方法。拟动力学分析模型能解决轴承运动参数分析，可基本满足工程需要，模型较完善，易于应用。但它尚不能完全描述滚动轴承的动态性能，因而进一步发展到完全的滚动轴承动力学分析。从理论的完整性看，动力学模型分析方法计及的影响因素最全，但由与高速下轴承各元件间动态特性复杂，以及计及包括安装配合等各种因素必然带来数学上的复杂与困难，使滚动轴承动力学理论迄今为止仍很不完善。德国的FAG公司有专门的研究中心负责计算轴承的内部应力和负荷分布，通常都是使用有限元分析的方法。1985年发表在Ball and Roller Bearing Engineering的论文“轧钢机轧辊轴承的负荷分布及轴承座的受力
24、状态” ，较详细的介绍了FAG公司利用FEM(有限元法)和FAGT240程序对轧机预负荷轴承座内负荷分布的影响。FAG公司的ThomasLosche利用计算机程序，对圆柱滚子轴承滚子和滚道轮廓形状对接触应力和轴承寿命的影响进行了具体的研究，并可进一步推广到圆锥滚子轴承及球面滚子轴承的研究。目前全球最大的轴承公司SKF，很早就开发了各种类型的计算机程序。TABACY就是其中一种能够迅速分析轴承在工作负荷下各个零件的受力情况及寿命的分析程序。美国TORRINGTON公司应用大型通用有限元软件ANSYS研究了轧机工作辊轴承座及轴承外圈，确定了轴承滚子载荷分布及轴承寿命。国外三轮摩托车在使用特点、设计
25、造型、品种结构、价格档次等方面与我国产品有较大差异。国外三轮摩托车多以娱乐、运动及特种用途为主，追求豪华高档、造型新颖，产品更新快，在新技术、新结构、新材料、计算机及电控技术的应用，以及在使用的舒适性、安全性及可靠性等方面精益求精，价格昂贵。在国外，滚针凸度技术在国外称之为CROWNING。CROWNING是日本NNR公司的特别讲法，（美国TORRINGTON称之为CONTROLLED CONTOUR，德国称之为FAG代号为ZB2）。CROWNING是指该滚针在接近两端12mm处，经过刻意研磨，呈抛物线稍微收缩状（如图1-7说明，其用肉眼不易看出）。其功用在使滚针和轨道面接触时，有修正效果，使
26、滚针受力均匀，最重要的是可以避免两端产生具有破坏性尾部应力，并对接触面加工公差有少许的弥补作用。经 CROWNING 处理过后的滚针，可降低滚针所受之最大应力值，且负载上较平均，故能提高轴承的寿命。图1-7 滚针的应力分布1.4 三轮摩托车的国内市场状况2008年，中国的摩托车产销量达2750万辆，占据了全球总产量的一半以上，出口达980万辆，从业人员近400万，摩托车产业已成为中国国民经济的支柱产业之一。我国连续14年蝉联世界第一大摩托车生产国和消费国，连续7年名列出口量世界第一。目前我国生产的三轮摩托车是以经济、实用、安全、可靠为主要目标，在设计、生产和工艺技术水平上与国外先进国家还有较大
27、的差距。从全行业统计情况看，全年在产三轮摩托车企业28家，比上年减少11家。生产企业产销量超过5万辆的企业仅有5家，这5家企业累计产量65.54万辆，占总量的73%。其中宗申集团产量32.2万辆，占整个三轮摩托车行业的38.83%，成为三轮摩托车行业的霸主，产量集中度远远高于二轮摩托车。中国汽车工业协会统计数据显示，2006年我国三轮摩托车行业发展迅猛，产销量均逼近90万辆，同比增长69%，高出行业整体增幅近50个百分点，达到历史最好水平。这还仅仅是由行业统计的数据，据业内人士估计，目前全国三轮摩托车应有近300万辆的产销规模，约2/3的数据没有上报。从行业报表观察，排量50mL的三轮摩托车占
28、行业总量的近96，其中100150ml排量的三轮摩托车由于具有油耗低、性能稳定、价格适中、用途广泛等优势受到广大消费者的青睐，成为市场的主流产品。从整个行业来看，三轮摩托车尽管销量不大，年销量约占全行业总销量的5左右，但共发展速度却相当快。近2年，随着中央富农政策和西部大开发战略的实施，三轮摩托车已成为农民朋友致富的“好帮手”。三轮摩托车承载能力适中，道路适应性强，既适用于农户自产自销式的小规模经营，又适用干短途载客，是农民增加收人的重要工具。目前全国三轮摩托车总销量已接近300万辆，但这个数字与中国庞大的农村市场相比，仍很大上升空间。经过多次改良，其功能还在不断的完善，使三轮摩托车某些用途方
29、面优于二轮摩托车、电动车，价格上优于微型汽车。在短期内处于不可替代的地位。随着农民收人的提高，消费环境日益改善，三轮摩托车作为一种过渡性运输工具，它无疑还会在较长的时期内广泛存在，市场潜力巨大。连杆滚针作为三轮摩托车发动机中重要的部件曲柄连杆总成的关键构件，其质量好坏直接关系到三轮摩托车驾驶舒适性、安全性和工作可靠性。本章小结本章阐述了所研究三轮摩托车发动机连杆滚针轴承的实际生产、设计和使用情况，说明了本课题在国内外的发展与研究状况。国内摩托车连杆滚针轴承与国外先进行业的生产和设计环节均存在较大的技术差距，导致国内的连杆滚针轴承承载能力和使用寿命较国外先进产品要低。第2章 连杆滚针轴承失效分析
30、失效分析是一门新兴交叉学科，涉及的学科领域和技术门类较多，如金属物理、力学和断裂、材料学、表面科学、冶金和加工技术、摩擦学、腐蚀学，还有环境和可靠性技术工程等，具有很强的生产应用背景，与国民经济建设有极其密切的联系，需要广泛收集原始资料，并运用多种技术手段进行测试分析。从失效分析着手客观准确的寻找零部件失效起因，往往是解决设备可靠性和延长使用寿命的必要前提。轴承在工作中丧失其规定的功能，导致故障或不能正常工作的现象称为失效。轴承的失效可分为正常失效和早期失效两种。按其损伤机理大致可分为接触疲失效、磨损失效、断裂失效、塑性变形失效、腐蚀失效和游隙变化失效等几种基本形式。接触疲劳失效时滚动轴承最常
31、见的失效形式。由于工作状况的复杂性，有时会表现出多种失效形式。一般情况下轴承失效分析大体可分为三个步骤：1）失效实物和背景材料的收集应该尽可能地收集到失效实物的各个零件和残片。尽量多地了解到失效轴承的实际工作条件、使用过程和制造质量情况。这对于正确地失效分析是必不可少的。2）宏观检查对失效轴承进行宏观检查(包括尺寸精度测量和表面状态检查分析)，是失效分析最重要的环节。通过总体的外观检查，可了解轴承失效的概貌和损坏部位的特征，估计造成失效的起因，察看缺陷的大小、形状、部位、数量和特征并确定截取的部位做进一步的微观检查和分析。3）微观分析失效轴承的微观分析包括光学金相分析、电子显微分析、探针和电子
32、能谱分析等。主要是根据失效特征区的微观组织结构变化和对疲劳源、裂纹源的分析为失效分析提供更充分的判据或反证，因而是重要的。微观分析中最常用、最普及的方法是断口分析、光学金相分析和硬度检测。滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架四种元件构成。在连杆滚针轴承机构中，滚针轴承本身只有滚动体和保持架，而连杆则相当于滚动轴承的外圈，曲柄销则相当于滚动轴承的内圈。因此，连杆、滚针、保持架和曲柄销就构成了一个完整的滚动轴承。经过理论分析（见本文3-1节）和实践表明，连杆滚针轴承主要失效形式一般不同于普通定轴线转动轴承。 连杆滚针轴承工作时，承受大小、方向和作用位置周期性变化的脉冲载荷，同时，由于大、小头轴承与
33、曲柄销、活塞销配合处存在配合间隙，在上、下止点处，活塞突然改变运动方向而引起冲击振动载荷，而压缩上止点处气体爆发压力的作用，使得对轴承的冲击载荷更严重。轴承间隙越大冲击振动载荷越大。 对连杆大头轴承来说，除上述径向脉冲载荷和冲击振动载荷外，当轴承随连杆大头一起绕曲轴中心转动时，在离心惯性力作用下，轴承保持架外圆面与连杆孔间将产生接触和滑动摩擦，造成保持架外圆磨损。据维修点反映和试验拆检表明，保持架磨损是连杆大头滚针轴承常见的主要失效形式。当磨损到一定程度时，还会发生保持架碎裂。2.1 连杆滚针轴承接触疲劳失效接触疲劳失效是各类轴承表面最常见的失效模式之一，疲劳失效是金属在交变载荷的长期作用下而
34、产生的失效，主要表现为疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂的过程。裂纹的产生有两种方式：从表面产生，即在滚动轴承的接触过程中，因外载荷的作用在工作表面引起周期性变化的接触应力，在表层产生塑性变形和形变硬化，最后在工作表面出现微小裂纹，由表面向里发展，在该裂纹形成的两个表面之间，由于润滑剂的楔入，使裂纹壁受力张开，迫使裂纹向前发展；裂纹从表层产生，即在表面接触应力的反复作用下，裂纹最初产生于离接触表面有一定深度之处，并顺着与表面成一定角度的方向发展，达到距表面某一深度之后，又越出到表面上来，最后扩展到表面形成不同的剥落形状，如麻点状的称为点蚀或麻点剥落；剥落成小片状的称浅层剥落。由于剥落面的逐渐扩大，而往
35、往向深层扩展，形成深层剥落。深层剥落是接触疲劳失效的疲劳源。裂纹从表面产生或从表层产生，这两种情况都是客观存在的。零件经过渗碳、表面淬火等热处理后，若存在硬度不均匀、组织不均匀以及不利的内应力等，则在接触应力的作用下，裂纹一般从表层下产生。反之，若零件表面加工质量差，存在着缺陷(氧化、脱碳)，摩擦力大或润滑不佳，则裂纹从表面产生。2.1.1点蚀套圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承最基本和常见的失效形式，这是在安装、润滑、维护良好的条件下，由于大量重复地承受变化应力所致。轴承发生点蚀破坏后，在运转时通常会出现较强的振动、噪声和发热现象。当金属表面存在缺陷、疏松以及夹渣等时，这些部位的电化学性能和
36、其他部位不同。这些部位成为溶解趋势较强的阳极，其他部位成为阴极，金属本身是良好的导电体，再则润滑油中含水，金属表面吸附的水液则是离子导体，这样就好似有许多短路的原电池进行着放电的化学反应，阳极溶解和阴极放电的速度快，金属腐蚀的速度也就快。点蚀呈圆形，周围没有裂纹，能够向深处扩展，甚至穿透金属，引起应力集中并日在高接触应力下导致表面剥落，造成轴承失效。样品4滚针（见图2-1-b）出现的疲劳失效痕迹明显不对称（滚针其中一边有连续相似的金属剥落和凹痕），可推断轴承曾承受偏载。轴承因颗粒污染也可引起麻点和点蚀痕。润滑剂被污染后，一些固体杂质混在润滑剂中，也会成为一种磨蚀剂。如果污染严重，轴承也会因此而
37、过早地发生磨损失效，而这种失效形式较难发现。 a.样品1滚针点蚀失效 b. 样品4滚针疲劳失效图2- 1 滚针点蚀失效轴承出现压痕的原因：（1）金属粉末颗粒等异物的咬入，在滚动面或转动面上产生的凹痕；（2）安装或运输过程中受到冲击或载荷过大，在滚动体的表面形成凹痕等。对此，可通过过滤润滑油，提高零件的清洁度，改进组装方法和使用方法等措施改善凹痕的出现。图2-2 样品3保持架点蚀失效对于样品3保持架出现点蚀失效（图2-2），可能是曲柄连杆总成运转时承受冲击载荷，保持架与连杆大头内壁间正常磨损产生的金属颗粒没有及时排出，润滑油受污染金属颗粒混合其中造成润滑不良，样品刚度不够等原因综合造成滚针轴承保
38、持架出现早期疲劳点蚀失效。2.1.2 疲劳剥落曲柄连杆总成的连杆大头内壁疲劳剥落，是受气缸内燃气爆发力和曲柄连杆机构惯性力的作用产生的冲击载荷，或是冲击载荷过大，或是连杆大头内侧的硬度强度不符合质量要求等，属于接触疲劳失效。在样品3和样品4中（见图2-3），疲劳剥落的问题比较严重，发生剥落现象的位置集中，同样属于早期失效。对此类产品我们应当了解其同批次产品的剥落状况，观察不同工作时间润滑油中的颗粒颜色变化，颗粒大小变化判断出发生剥落现象的时间，分析其失效原因。样品连杆滚针轴承是普通125 ml排量二轮摩托车发动机适用产品应用在三轮摩托车发动机上，三轮摩托车实际使用者多行驶于路况不好的道路，路面
39、崎岖，且三轮摩托车经常出现超载现象，而产品本身没有针对三轮摩托车的实际负载情况进行合理设计，故而发动机长时间、超负荷运转使得连杆大头内壁承受的疲劳极限超出其设计许用值，连杆大头内壁出现大面积的疲劳剥落现象，使得连杆大头内壁出现早期失效，更使得滚针、保持架和曲柄销等零件跟着出现过早的失效，严重影响发动机的性能质量安全。 a.样品3连杆大头内壁剥落失效 b. 样品4连杆大头内壁剥落失效图2-3 疲劳剥落失效疲劳剥落也可能由于轴承在冲击载荷作用下、轴承不慎落地或不正常装配、运输都能使轨道产生压痕。一旦轴承轨道产生了压痕，在轴承转动时，滚动体每一次经过压痕，就会产生一次冲击，对压痕施加一次辗压作用。外
40、负载越大时，其辗压力也就越大。经过一段时间，在若干次冲击之后，压痕处便产生了片状的疲劳剥落，此时轴承工作时将产生噪音、振动和附加转矩，严重影响轴承的运行平稳性和精度。2.1.3 影响疲劳失效的因素（1）材料的冶炼质量。点蚀疲劳失效和剥落疲劳失效在很大程度上和材料冶炼质量的优劣有关，表面缺陷、疏松及夹渣是点腐蚀的根源，也是疲劳失效的主要部位。研究指出，非金属夹杂物对轴承寿命的影响随夹杂物的类型、形态和数量的不同而异，以球状不变形夹杂物对轴承寿命的危害最严重。夹杂物越大，危害越严重，而且能够在较深处引起疲劳失效的发生。非金属夹杂物中的氧化物夹杂和硅酸盐夹杂物是非塑性氧化物，弹性模数小，易与基体形成
41、局部间隔，造成应力集中，而硫化物相对要好一些。带状碳化物主要是碳和合金元素在钢中的不均匀分布，已会造成退火和淬火组织不均，缩短轴承寿命。（2）热处理状态。热处理状态主要和疲劳失效有关。疲劳失效对金属材料的组织很敏感，如马氏体的含碳量，碳化物颗粒的大小和含量，表面和心部的硬度和硬度梯度，渗碳层厚度和过渡层厚度，表面层残余应力分布等，对疲劳失效均有很大的影响。渗碳钢碳化物颗粒越细，分布越均匀越不易发生疲劳失效。渗碳钢表面脱碳，使接触疲劳强度下降。表面硬度越高(与内部硬度应匹配，其差别不可以太大)，其接触疲劳强度越高，越不容易发生疲劳失效。表面硬度低时，如果载荷不是太大，由于表面材料塑性碾平的结果，
42、不会发生疲劳失效。如果表面硬度不均匀，存在硬度相对较低的点，则容易出现疲劳失效。（3）表面加工精度。零件表面的加工精度影响接触应力的分布。表面加工精度越差，表面接触区内的载荷集中越严重，接触应力越大，轴承越容易出现疲劳失效。表面粗糙度Ra值越小，应力集中小，接触疲劳寿命高。有关研究表明，表面粗糙度由Ra = 0.4m提高到Ra =0.1m时，接触疲劳寿命可提高68倍。（4）表面残余应力。接触表面具有残余压应力，则有利于接触疲劳强度的提高，能推迟裂纹的产生和发展，提高轴承寿命。（5）润滑油。轴承接触表面之间若没有润滑油存在，由摩擦引起磨损，磨损的速度会远远超过其疲劳裂纹发展的速度，此时疲劳失效就
43、不会出现。当有润滑油存在时，油液将渗入已形成的裂缝之内，产生巨大油压，从而加速裂纹的发展。润滑油黏度越小，越易渗入，就越容易出现疲劳失效，反之则效果相反。（6）接触表面塑性变形。接触摩擦表面上塑性变形层的深度决定了裂纹的凹坑分布及深度，而变形程度则决定疲劳裂纹的发展速度。表面层塑性变形的积累形成较大的残余应力，从而促进疲劳裂纹的产生与发展。最初裂纹分布在摩擦面以下的剪应力较大的平面内5。2.2 磨损失效工作过程中，轴承零件之间相对滑动摩擦导致其表面金属不断损失的现象称为磨损。持续的磨损使零件尺寸和形状变化，轴承配合间隙增大，工作表面形貌变坏从而丧失旋转精度，由此引起工作温度升高，振动、噪声、摩
44、擦力矩增大等，导致轴承不能正常工作，称为轴承的磨损失效。磨损是滚动轴承常见的一种失效形式，是轴承滚道、滚动体和保持架，由于轴向载荷不当引起的表面之间的相对滑动摩擦而导致表面磨损，润滑不良会使轴承温升加快，致使滚动体过热，硬度下降，加剧磨损，使轴承凹面精度减低，运转精度降低，增大振动和噪声而产生的失效。按其磨损形式可分为磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、微动磨损和疲劳磨损等。其中最常见的为磨粒磨损和粘着磨损。微小金属颗粒等异物的侵入是磨损的基本原因。另外机械振动和安装不当，以及轴承本身存在质量问题，也会加快轴承的磨损。磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度。对于精密机械轴承，往
45、往是磨损限制了轴承寿命。2.2.1 磨粒磨损轴承零件的摩擦面之间挤人外来硬颗粒或金属表面的磨屑，引起摩擦面磨损的现象称为磨粒磨损。其磨损表面有被磨粒摩擦留下的细槽痕迹，或是因为压溃而出现的麻点。外部进入摩擦面间的游离硬颗粒（如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒）或硬的轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料，一部分流动到沟纹的两旁，一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒，这样的微粒切削过程就就造成了轴承的磨粒磨损。样品3和样品4（见图2-4）连杆大端内壁出现的滚道两侧严重磨损属于非正常磨损。对于滚动轴承一类的磨擦副组件，其正常的磨损过程一般可分为三个阶段：第一阶段为磨合阶段，
46、磨损产生的磨粒很小；第二阶段为正常磨损阶段，产生的磨粒最大尺寸不超过15m；第三阶段为严重磨损阶段，产生的磨粒尺寸在50m左右，该阶段磨粒数量和尺寸均急剧增大，即进入疲劳剥落阶段。因此，当产品运转时间没有超过磨合期，而在滑油滤中检查出剥落尺寸达1mm以上的滚子的磨损金属屑末，实际上样品早已进人非正常磨损阶段。 a.样品4保持架磨粒磨损 b.样品4连杆大头内侧磨粒磨损 c.样品3连杆磨损失效 d.样品3保持架磨损失效图2-4 连杆滚针轴承颗粒磨损失效2.2.2 粘着磨损粘着磨损主要是由于摩擦表面的显微突起或摩擦异物使摩擦面受力不均，局部摩擦热有可能使摩擦面形成显微焊合。摩擦表面温升高，会造成润滑
47、油膜破裂，严重时表面层金属将会局部熔化，接触点产生粘着、撕脱、再粘着的循环过程，构成粘着磨损。严重的粘着磨损会造成摩擦面的胶合和卡死。2.3 烧伤损坏轴承的烧伤是指轴承零件在加工时因摩擦的挤压变形产生很大的热量，使其表面温度急剧增高，局部瞬时可达8001200氏度。如果冷却不及时或不充分，将使零件产生退火，高温回火或二次淬火为。这种现象就称为烧伤。零件烧伤表面硬度会降低或产生龟裂。一般的烧伤用眼睛很难看出。但可以用酸洗的方法进行检验。用眼睛能看出来的烧伤（零件表面发黄或发蓝）是较为严重的烧伤。在生产过程中要避免发生。轴承零件的裂纹是指金属零件在应力作用下，当此应力超过金属的极限强度时，其内部或表面便发生断裂或局部断裂现象，这种断裂的宏观缺陷称为裂纹。裂纹的特征是有尖锐部或边缘。金属的裂纹有外裂、内裂及折叠裂纹等。金属的外裂可能用眼睛看或借助放大镜观察，金属的内裂要用探伤检验的方法来检验，如浸油喷砂法、磁粉探伤法、射线探伤法、超声波探伤法、渗透探伤法及涡流探伤法等。引起轴承烧伤的可能性原因：（1）连杆滚针轴承润滑不良；（2）过大载荷或预压过大；（3）发动机转速过大；（4）游隙过小；（5）水、异物的侵入；（6）连杆、曲柄销的精度不良、曲柄销挠度大。曲柄销的烧伤损坏由
