1、五邑大学本科毕业设计 I 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 五邑大学本科毕业设计 II Abstract Motion of motorc
2、ycle 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
3、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 ef
4、fect“ 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 五邑大学本科毕业设计
5、III 目 录 摘 要 . I Abstract .II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的提出 . 1 1.2 本课题国内状况 . 4 1.3 滚动轴承国内外状况与研究方法 . 6 1.4 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 . 9 2.1 连杆滚针轴承接触疲劳失效 . 10 2.1.1 点蚀 . 10 2.1.2 疲劳剥落 . 11 2.1.3 影响疲劳 失效的因素 . 12 2.2 磨损失效 . 13 2.2.1 磨粒磨损 . 13 2.2.2 粘着磨损 . 14 2.3 烧伤损坏 . 15 2.4 塑性变形失效 . 16 2.5
6、微观分析 . 17 2.6 连杆滚针轴承的润滑 . 18 2.6 连杆滚针轴承失效总结 . 20 2.7 轴承的寿命计算 . 20 本章小结 . 22 第 3 章 连杆滚针轴承改进方法研究 . 23 3.1 连杆滚针轴承工作时的运动及受力分析 . 23 3.1.1 运动分析 . 23 3.1.2 受力分析 . 23 3.2 滚针轴承 . 26 3.2.1 滚针的标准 . 26 3.2.2 滚针凸度对轴承寿命的影响 . 27 3.2.3 滚针凸度的合理设计 . 27 3.2.4 目前设计在存在的问题 . 29 五邑大学本科毕业设计 IV 3.2.5 改进意见 . 29 3.2.6 滚针的凸度计算
7、设计 . 30 3.3 滚针轴承保持器 . 32 3.3.1 保持架的锁针 . 32 3.3.2 “M”型保持架 . 33 3.3.3 “K”型保持架 . 33 3.3.4 保持架径向定位 . 35 3.3.5 保持架表面处理 . 35 3.3.6 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 . 38 4.1 滚针的工艺改进措施 . 38 4.1.1 滚针的凸度加工 . 38 4.1.2 对数型凸度滚针超精研导辊的设计与加工 . 39 4.2 滚针轴承保持架的工艺改进措施 . 43 4.2.1 锁针部位主参 数的确定 . 43 4.2.2 保持架
8、表面处理 . 45 4.3 连杆滚针轴承的游隙 . 45 4.3.1 影响轴承径向工作游隙的因素 . 45 4.3.2 轴承径向游隙的合理选择 . 47 4.3.3 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 . 48 5.1 滚针轴承的改进 . 49 5.2 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 . 59 6.1 滚针轴承的有限元分析 . 59 6.2 连杆的有限元分析 . 62 本章小结 . 64 结论 . 65 参考文献 . 66 致谢 . 67 五邑大学本科毕业设计 1 第 1 章 绪论 1.1 课
9、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
10、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。 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
11、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、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 五邑大学本科毕业设计 2 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、
12、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，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
13、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、
14、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） 。 五邑大学本科毕业设计 3 图 1-3 连杆滚针轴承失效样品 图 1-4 滚针轴承失效样品 五邑大学本科毕业设计 4 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。
15、 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。 五邑大学本科毕业设计 5 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
16、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
17、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
18、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
19、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 (CAE)软件。瓦房店轴承集团公司、西北轴承集团公司及万向
20、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。 五邑大学本科毕业设计 6 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 Q
21、max 与径向载荷 F 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
22、展，人们发现轴承中钢球与滚道接触处存在有弹流油膜，可避免金属直接接触， 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
23、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 Walters 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
24、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
