【正文】 究。目前全球最大的軸承公司SKF，很早就開發(fā)了各種類型的計算機(jī)程序。TABACY就是其中一種能夠迅速分析軸承在工作負(fù)荷下各個零件的受力情況及壽命的分析程序。美國TORRINGTON公司應(yīng)用大型通用有限元軟件ANSYS研究了軋機(jī)工作輥軸承座及軸承外圈，確定了軸承滾子載荷分布及軸承壽命。國外三輪摩托車在使用特點、設(shè)計造型、品種結(jié)構(gòu)、價格檔次等方面與我國產(chǎn)品有較大差異。國外三輪摩托車多以娛樂、運動及特種用途為主，追求豪華高檔、造型新穎，產(chǎn)品更新快，在新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料、計算機(jī)及電控技術(shù)的應(yīng)用，以及在使用的舒適性、安全性及可靠性等方面精益求精，價格昂貴。在國外，滾針凸度技術(shù)在國外稱之為CROWNING。CROWNING是日本NNR公司的特別講法，（美國TORRINGTON稱之為CONTROLLED CONTOUR，德國稱之為FAG代號為ZB2）。CROWNING是指該滾針在接近兩端1~2mm處，經(jīng)過刻意研磨，呈拋物線稍微收縮狀（如圖17說明，其用肉眼不易看出）。其功用在使?jié)L針和軌道面接觸時，有修正效果，使?jié)L針受力均勻，最重要的是可以避免兩端產(chǎn)生具有破壞性尾部應(yīng)力，并對接觸面加工公差有少許的彌補(bǔ)作用。經(jīng) CROWNING 處理過后的滾針，可降低滾針?biāo)苤畲髴?yīng)力值，且負(fù)載上較平均，故能提高軸承的壽命。圖17 滾針的應(yīng)力分布 三輪摩托車的國內(nèi)市場狀況2008年，中國的摩托車產(chǎn)銷量達(dá)2750萬輛，占據(jù)了全球總產(chǎn)量的一半以上，出口達(dá)980萬輛，從業(yè)人員近400萬，摩托車產(chǎn)業(yè)已成為中國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。我國連續(xù)14年蟬聯(lián)世界第一大摩托車生產(chǎn)國和消費國，連續(xù)7年名列出口量世界第一。目前我國生產(chǎn)的三輪摩托車是以經(jīng)濟(jì)、實用、安全、可靠為主要目標(biāo)，在設(shè)計、生產(chǎn)和工藝技術(shù)水平上與國外先進(jìn)國家還有較大的差距。從全行業(yè)統(tǒng)計情況看，全年在產(chǎn)三輪摩托車企業(yè)28家，比上年減少11家。生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)銷量超過5萬輛的企業(yè)僅有5家，占總量的73%。，%，成為三輪摩托車行業(yè)的霸主，產(chǎn)量集中度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二輪摩托車。中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2006年我國三輪摩托車行業(yè)發(fā)展迅猛，產(chǎn)銷量均逼近90萬輛，同比增長69%，高出行業(yè)整體增幅近50個百分點，達(dá)到歷史最好水平。這還僅僅是由行業(yè)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計，目前全國三輪摩托車應(yīng)有近300萬輛的產(chǎn)銷規(guī)模，約2/3的數(shù)據(jù)沒有上報。從行業(yè)報表觀察，排量＞50mL的三輪摩托車占行業(yè)總量的近96％，其中100～150ml排量的三輪摩托車由于具有油耗低、性能穩(wěn)定、價格適中、用途廣泛等優(yōu)勢受到廣大消費者的青睞，成為市場的主流產(chǎn)品。從整個行業(yè)來看，三輪摩托車盡管銷量不大，年銷量約占全行業(yè)總銷量的5％左右，但共發(fā)展速度卻相當(dāng)快。近2年，隨著中央富農(nóng)政策和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，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。目前全國三輪摩托車總銷量已接近300萬輛，但這個數(shù)字與中國龐大的農(nóng)村市場相比，仍很大上升空間。經(jīng)過多次改良，其功能還在不斷的完善，使三輪摩托車某些用途方面優(yōu)于二輪摩托車、電動車，價格上優(yōu)于微型汽車。在短期內(nèi)處于不可替代的地位。隨著農(nóng)民收人的提高，消費環(huán)境日益改善，三輪摩托車作為一種過渡性運輸工具，它無疑還會在較長的時期內(nèi)廣泛存在，市場潛力巨大。連桿滾針作為三輪摩托車發(fā)動機(jī)中重要的部件曲柄連桿總成的關(guān)鍵構(gòu)件，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。本章小結(jié)本章闡述了所研究三輪摩托車發(fā)動機(jī)連桿滾針軸承的實際生產(chǎn)、設(shè)計和使用情況，說明了本課題在國內(nèi)外的發(fā)展與研究狀況。國內(nèi)摩托車連桿滾針軸承與國外先進(jìn)行業(yè)的生產(chǎn)和設(shè)計環(huán)節(jié)均存在較大的技術(shù)差距，導(dǎo)致國內(nèi)的連桿滾針軸承承載能力和使用壽命較國外先進(jìn)產(chǎn)品要低。第2章 連桿滾針軸承失效分析失效分析是一門新興交叉學(xué)科，涉及的學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)門類較多，如金屬物理、力學(xué)和斷裂、材料學(xué)、表面科學(xué)、冶金和加工技術(shù)、摩擦學(xué)、腐蝕學(xué)，還有環(huán)境和可靠性技術(shù)工程等，具有很強(qiáng)的生產(chǎn)應(yīng)用背景，與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有極其密切的聯(lián)系，需要廣泛收集原始資料，并運用多種技術(shù)手段進(jìn)行測試分析。從失效分析著手客觀準(zhǔn)確的尋找零部件失效起因，往往是解決設(shè)備可靠性和延長使用壽命的必要前提。軸承在工作中喪失其規(guī)定的功能，導(dǎo)致故障或不能正常工作的現(xiàn)象稱為失效。軸承的失效可分為正常失效和早期失效兩種。按其損傷機(jī)理大致可分為接觸疲失效、磨損失效、斷裂失效、塑性變形失效、腐蝕失效和游隙變化失效等幾種基本形式。接觸疲勞失效時滾動軸承最常見的失效形式。由于工作狀況的復(fù)雜性，有時會表現(xiàn)出多種失效形式。一般情況下軸承失效分析大體可分為三個步驟：1）失效實物和背景材料的收集——應(yīng)該盡可能地收集到失效實物的各個零件和殘片。盡量多地了解到失效軸承的實際工作條件、使用過程和制造質(zhì)量情況。這對于正確地失效分析是必不可少的。2）宏觀檢查——對失效軸承進(jìn)行宏觀檢查(包括尺寸精度測量和表面狀態(tài)檢查分析)，是失效分析最重要的環(huán)節(jié)。通過總體的外觀檢查，可了解軸承失效的概貌和損壞部位的特征，估計造成失效的起因，察看缺陷的大小、形狀、部位、數(shù)量和特征并確定截取的部位做進(jìn)一步的微觀檢查和分析。3）微觀分析——失效軸承的微觀分析包括光學(xué)金相分析、電子顯微分析、探針和電子能譜分析等。主要是根據(jù)失效特征區(qū)的微觀組織結(jié)構(gòu)變化和對疲勞源、裂紋源的分析為失效分析提供更充分的判據(jù)或反證，因而是重要的。微觀分析中最常用、最普及的方法是斷口分析、光學(xué)金相分析和硬度檢測。滾動軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四種元件構(gòu)成。在連桿滾針軸承機(jī)構(gòu)中，滾針軸承本身只有滾動體和保持架，而連桿則相當(dāng)于滾動軸承的外圈，曲柄銷則相當(dāng)于滾動軸承的內(nèi)圈。因此，連桿、滾針、保持架和曲柄銷就構(gòu)成了一個完整的滾動軸承。經(jīng)過理論分析（見本文31節(jié)）和實踐表明，連桿滾針軸承主要失效形式一般不同于普通定軸線轉(zhuǎn)動軸承。 連桿滾針軸承工作時，承受大小、方向和作用位置周期性變化的脈沖載荷，同時，由于大、小頭軸承與曲柄銷、活塞銷配合處存在配合間隙，在上、下止點處，活塞突然改變運動方向而引起沖擊振動載荷，而壓縮上止點處氣體爆發(fā)壓力的作用，使得對軸承的沖擊載荷更嚴(yán)重。軸承間隙越大沖擊振動載荷越大。 對連桿大頭軸承來說，除上述徑向脈沖載荷和沖擊振動載荷外，當(dāng)軸承隨連桿大頭一起繞曲軸中心轉(zhuǎn)動時，在離心慣性力作用下，軸承保持架外圓面與連桿孔間將產(chǎn)生接觸和滑動摩擦，造成保持架外圓磨損。據(jù)維修點反映和試驗拆檢表明，保持架磨損是連桿大頭滾針軸承常見的主要失效形式。當(dāng)磨損到一定程度時，還會發(fā)生保持架碎裂。 連桿滾針軸承接觸疲勞失效接觸疲勞失效是各類軸承表面最常見的失效模式之一，疲勞失效是金屬在交變載荷的長期作用下而產(chǎn)生的失效，主要表現(xiàn)為疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展和斷裂的過程。裂紋的產(chǎn)生有兩種方式：①從表面產(chǎn)生，即在滾動軸承的接觸過程中，因外載荷的作用在工作表面引起周期性變化的接觸應(yīng)力，在表層產(chǎn)生塑性變形和形變硬化，最后在工作表面出現(xiàn)微小裂紋，由表面向里發(fā)展，在該裂紋形成的兩個表面之間，由于潤滑劑的楔入，使裂紋壁受力張開，迫使裂紋向前發(fā)展；②裂紋從表層產(chǎn)生，即在表面接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，裂紋最初產(chǎn)生于離接觸表面有一定深度之處，并順著與表面成一定角度的方向發(fā)展，達(dá)到距表面某一深度之后，又越出到表面上來，最后擴(kuò)展到表面形成不同的剝落形狀，如麻點狀的稱為點蝕或麻點剝落；剝落成小片狀的稱淺層剝落。由于剝落面的逐漸擴(kuò)大，而往往向深層擴(kuò)展，形成深層剝落。深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源。裂紋從表面產(chǎn)生或從表層產(chǎn)生，這兩種情況都是客觀存在的。零件經(jīng)過滲碳、表面淬火等熱處理后，若存在硬度不均勻、組織不均勻以及不利的內(nèi)應(yīng)力等，則在接觸應(yīng)力的作用下，裂紋一般從表層下產(chǎn)生。反之，若零件表面加工質(zhì)量差，存在著缺陷(氧化、脫碳)，摩擦力大或潤滑不佳，則裂紋從表面產(chǎn)生。 套圈和滾動體表面的疲勞點蝕是滾動軸承最基本和常見的失效形式，這是在安裝、潤滑、維護(hù)良好的條件下，由于大量重復(fù)地承受變化應(yīng)力所致。軸承發(fā)生點蝕破壞后，在運轉(zhuǎn)時通常會出現(xiàn)較強(qiáng)的振動、噪聲和發(fā)熱現(xiàn)象。 當(dāng)金屬表面存在缺陷、疏松以及夾渣等時，這些部位的電化學(xué)性能和其他部位不同。這些部位成為溶解趨勢較強(qiáng)的陽極，其他部位成為陰極，金屬本身是良好的導(dǎo)電體，再則潤滑油中含水，金屬表面吸附的水液則是離子導(dǎo)體，這樣就好似有許多短路的原電池進(jìn)行著放電的化學(xué)反應(yīng)，陽極溶解和陰極放電的速度快，金屬腐蝕的速度也就快。點蝕呈圓形，周圍沒有裂紋，能夠向深處擴(kuò)展，甚至穿透金屬，引起應(yīng)力集中并日在高接觸應(yīng)力下導(dǎo)致表面剝落，造成軸承失效。樣品4滾針（見圖21b）出現(xiàn)的疲勞失效痕跡明顯不對稱（滾針其中一邊有連續(xù)相似的金屬剝落和凹痕），可推斷軸承曾承受偏載。軸承因顆粒污染也可引起麻點和點蝕痕。潤滑劑被污染后，一些固體雜質(zhì)混在潤滑劑中，也會成為一種磨蝕劑。如果污染嚴(yán)重，軸承也會因此而過早地發(fā)生磨損失效，而這種失效形式較難發(fā)現(xiàn)。 b. 樣品4滾針疲勞失效圖2 1 滾針點蝕失效 軸承出現(xiàn)壓痕的原因：（1）金屬粉末顆粒等異物的咬入，在滾動面或轉(zhuǎn)動面上產(chǎn)生的凹痕；（2）安裝或運輸過程中受到?jīng)_擊或載荷過大，在滾動體的表面形成凹痕等。對此，可通過過濾潤滑油，提高零件的清潔度，改進(jìn)組裝方法和使用方法等措施改善凹痕的出現(xiàn)。圖22 樣品3保持架點蝕失效 對于樣品3保持架出現(xiàn)點蝕失效（圖22），可能是曲柄連桿總成運轉(zhuǎn)時承受沖擊載荷，保持架與連桿大頭內(nèi)壁間正常磨損產(chǎn)生的金屬顆粒沒有及時排出，潤滑油受污染金屬顆粒混合其中造成潤滑不良，樣品剛度不夠等原因綜合造成滾針軸承保持架出現(xiàn)早期疲勞點蝕失效。 疲勞剝落 曲柄連桿總成的連桿大頭內(nèi)壁疲勞剝落，是受氣缸內(nèi)燃?xì)獗l(fā)力和曲柄連桿機(jī)構(gòu)慣性力的作用產(chǎn)生的沖擊載荷，或是沖擊載荷過大，或是連桿大頭內(nèi)側(cè)的硬度強(qiáng)度不符合質(zhì)量要求等，屬于接觸疲勞失效。在樣品3和樣品4中（見圖23），疲勞剝落的問題比較嚴(yán)重，發(fā)生剝落現(xiàn)象的位置集中，同樣屬于早期失效。對此類產(chǎn)品我們應(yīng)當(dāng)了解其同批次產(chǎn)品的剝落狀況，觀察不同工作時間潤滑油中的顆粒顏色變化，顆粒大小變化判斷出發(fā)生剝落現(xiàn)象的時間，分析其失效原因。 樣品連桿滾針軸承是普通125 ml排量二輪摩托車發(fā)動機(jī)適用產(chǎn)品應(yīng)用在三輪摩托車發(fā)動機(jī)上，三輪摩托車實際使用者多行駛于路況不好的道路，路面崎嶇，且三輪摩托車經(jīng)常出現(xiàn)超載現(xiàn)象，而產(chǎn)品本身沒有針對三輪摩托車的實際負(fù)載情況進(jìn)行合理設(shè)計，故而發(fā)動機(jī)長時間、超負(fù)荷運轉(zhuǎn)使得連桿大頭內(nèi)壁承受的疲勞極限超出其設(shè)計許用值，連桿大頭內(nèi)壁出現(xiàn)大面積的疲勞剝落現(xiàn)象，使得連桿大頭內(nèi)壁出現(xiàn)早期失效，更使得滾針、保持架和曲柄銷等零件跟著出現(xiàn)過早的失效，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的性能質(zhì)量安全。 b. 樣品4連桿大頭內(nèi)壁剝落失效圖23 疲勞剝落失效疲勞剝落也可能由于軸承在沖擊載荷作用下、軸承不慎落地或不正常裝配、運輸都能使軌道產(chǎn)生壓痕。一旦軸承軌道產(chǎn)生了壓痕，在軸承轉(zhuǎn)動時，滾動體每一次經(jīng)過壓痕，就會產(chǎn)生一次沖擊，對壓痕施加一次輾壓作用。外負(fù)載越大時，其輾壓力也就越大。經(jīng)過一段時間，在若干次沖擊之后，壓痕處便產(chǎn)生了片狀的疲勞剝落，此時軸承工作時將產(chǎn)生噪音、振動和附加轉(zhuǎn)矩，嚴(yán)重影響軸承的運行平穩(wěn)性和精度。 影響疲勞失效的因素 （1）材料的冶煉質(zhì)量。點蝕疲勞失效和剝落疲勞失效在很大程度上和材料冶煉質(zhì)量的優(yōu)劣有關(guān)，表面缺陷、疏松及夾渣是點腐蝕的根源，也是疲勞失效的主要部位。研究指出，非金屬夾雜物對軸承壽命的影響隨夾雜物的類型、形態(tài)和數(shù)量的不同而異，以球狀不變形夾雜物對軸承壽命的危害最嚴(yán)重。夾雜物越大，危害越嚴(yán)重，而且能夠在較深處引起疲勞失效的發(fā)生。非金屬夾雜物中的氧化物夾雜和硅酸鹽夾雜物是非塑性氧化物，彈性模數(shù)小，易與基體形成局部間隔，造成應(yīng)力集中，而硫化物相對要好一些。帶狀碳化物主要是碳和合金元素在鋼中的不均勻分布，已會造成退火和淬火組織不均，縮短軸承壽命。 （2）熱處理狀態(tài)。熱處理狀態(tài)主要和疲勞失效有關(guān)。疲勞失效對金屬材料的組織很敏感，如馬氏體的含碳量，碳化物顆粒的大小和含量，表面和心部的硬度和硬度梯度，滲碳層厚度和過渡層厚度，表面層殘余應(yīng)力分布等，對疲勞失效均有很大的影響。滲碳鋼碳化物顆粒越細(xì)，分布越均勻越不易發(fā)生疲勞失效。滲碳鋼表面脫碳，使接觸疲勞強(qiáng)度下降。表面硬度越高(與內(nèi)部硬度應(yīng)匹配，其差別不可以太大)，其接觸疲勞強(qiáng)度越高，越不容易發(fā)生疲勞失效。表面硬度低時，如果載荷不是太大，由于表面材料塑性碾平的結(jié)果，不會發(fā)生疲勞失效。如果表面硬度不均勻，存在硬度相對較低的點，則容易出現(xiàn)疲勞失效。 （3）表面加工精度。零件表面的加工精度影響接觸應(yīng)力的分布。表面加工精度越差，表面接觸區(qū)內(nèi)的載荷集中越嚴(yán)重，接觸應(yīng)力越大，軸承越容易出現(xiàn)疲勞失效。表面粗糙度Ra值越小，應(yīng)力集中小，接觸疲勞壽命高。有關(guān)研究表明，表面粗糙度由Ra = =，接觸疲勞壽命可提高6~8倍。 （4）表面殘余應(yīng)力。接觸表面具有殘余壓應(yīng)力，則有利于接觸疲勞強(qiáng)度的提高，能推遲裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，提高軸承壽命。 （5）潤滑油。軸承接觸表面之間若沒有潤滑油存在，由摩擦引起磨損，磨損的速度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其疲勞裂紋發(fā)展的速度，此時疲勞失效就不會出現(xiàn)。當(dāng)有潤滑油存在時，油液將滲入已形成的裂縫之內(nèi)，產(chǎn)生巨大油壓，從而加速裂紋的發(fā)展。潤滑油黏度越小，越易滲入，就越容易出現(xiàn)疲勞失效，反之則效果相反。 （6）接觸表面塑性變形。接觸摩擦表面上塑性變形層的深度決定了裂紋的凹坑分布及深度，而變形程度則決定疲勞裂紋的發(fā)展速度。表面層塑性變形的積累形成較大的殘余應(yīng)力，從而促進(jìn)疲勞裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展。最初裂紋分布在摩擦面以下的剪應(yīng)力較大的平面內(nèi)[5]。 磨損失效 工作過程中，軸承零件之間相對滑動摩擦導(dǎo)致其表面金屬不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。持續(xù)的磨損使零件尺寸和形狀變化，軸承配合間隙增大，工作表面形貌變壞從而喪失旋轉(zhuǎn)精度，由此引起工作溫度升高，振動、噪聲、摩擦力矩增大等，導(dǎo)致軸承不能正常工作，稱為軸承的磨損失效。磨損是滾動軸承常見的一種失效形式，是軸承滾道、滾動體和保持架，由于軸向載荷不當(dāng)引起的表面之間