5-機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)解析

1、第第5章章 機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)n5.1概述n5.2螺栓連接的可靠性設(shè)計(jì)n5.3彈簧的可靠性設(shè)計(jì)n5.4齒輪的可靠性設(shè)計(jì)n5.5軸的可靠性設(shè)計(jì)n5.6軸承的可靠性設(shè)計(jì)第第5章章 機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零部件的可靠性設(shè)計(jì)5.1概述1)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)n基礎(chǔ)基礎(chǔ): :常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)的原理、準(zhǔn)則、計(jì)算方法n方法方法：將設(shè)計(jì)變量認(rèn)為是服從某種分布的隨機(jī)變量，并應(yīng)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法推導(dǎo)出可靠度計(jì)算表達(dá)式。n內(nèi)容內(nèi)容：在給定的可靠度條件下確定零件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸；或已知零件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸確定其可靠度及安全壽命。2）不同機(jī)械產(chǎn)品的故障后果及可靠度要求）不同機(jī)械產(chǎn)品的故障后果及可

2、靠度要求故障后果故障后果可靠度要求可靠度要求機(jī)械產(chǎn)品類型機(jī)械產(chǎn)品類型災(zāi)難性災(zāi)難性失失 事事重大重大事故事故R（t）0.99990.99999 91.01.0飛行器、軍事裝備、飛行器、軍事裝備、制動(dòng)系統(tǒng)等制動(dòng)系統(tǒng)等經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性損失損失重大重大R（t）0.9990.999工藝裝備、農(nóng)業(yè)機(jī)械等工藝裝備、農(nóng)業(yè)機(jī)械等一般一般損失損失R（t）0.990.99修理費(fèi)用修理費(fèi)用在預(yù)算內(nèi)在預(yù)算內(nèi)R（t）0.90.9機(jī)器的不重要零部件機(jī)器的不重要零部件3）產(chǎn)品的可靠度等級(jí)可靠度等級(jí)可靠度等級(jí)012345可靠度值可靠度值R（t）0.90.90.990.9990.99990.999994)國(guó)外機(jī)械產(chǎn)品可靠性指標(biāo)推薦值

3、產(chǎn)品類型產(chǎn)品類型可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo)數(shù)值可靠性指標(biāo)數(shù)值小汽車小汽車R（t=1a）0.9967推土機(jī)行走機(jī)構(gòu)推土機(jī)行走機(jī)構(gòu)MTBF40005000hVolvo載重汽車載重汽車大修理周期大修理周期60萬(wàn)萬(wàn)kM汽車變速箱汽車變速箱MTBF20000h軍用汽車軍用汽車MTBF12年年滾動(dòng)軸承滾動(dòng)軸承R（N=106）0.9履帶式液壓挖掘機(jī)履帶式液壓挖掘機(jī)平均壽命平均壽命10000h5.2螺栓連接的可靠性設(shè)計(jì)1）受拉螺栓的連接設(shè)計(jì)步驟：（1）確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（2）選擇螺栓材料，確定其強(qiáng)度分布（3）確定螺栓的應(yīng)力分布（4）應(yīng)用聯(lián)結(jié)方程求解螺栓直徑n變異系數(shù)變異系數(shù)材料的尺寸、加工、熱處理等引材料的尺寸

4、、加工、熱處理等引起的材料強(qiáng)度變化，為材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與其起的材料強(qiáng)度變化，為材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差與其均值的比值。均值的比值。受拉螺栓的連接的可靠性設(shè)計(jì)實(shí)例：已知某汽缸內(nèi)徑D=380mm， 缸內(nèi)工作壓力p=01.7MPa，螺栓數(shù)目n=8，采用金屬墊片，試設(shè)計(jì)此缸蓋的螺栓，且要求螺栓連接的可靠度R=0.999999。算算 例例5.2螺栓連接的可靠性設(shè)計(jì)2）受剪切螺栓連接 （1）按受剪螺栓進(jìn)行設(shè)計(jì) （2）按擠壓進(jìn)行設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：（1）確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（2）選擇螺栓材料，確定其強(qiáng)度分布（3）確定螺栓的應(yīng)力分布（4）應(yīng)用聯(lián)結(jié)方程求解螺栓直徑受剪切螺栓連接n實(shí)例：已知某受剪切連接的螺栓，載荷F為等幅交變載荷，呈

5、正態(tài)分布，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差為F（ ）=F（24000，1440）N承剪面數(shù)n=2，預(yù)緊力忽略不計(jì)。從安全考慮，在10000個(gè)螺栓中，只允許有兩次因螺栓失效引起的停工，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)此連接螺栓。FF,5.2螺栓連接的可靠性設(shè)計(jì) 分析比較：n安全系數(shù)設(shè)計(jì)法n可靠性設(shè)計(jì)法 53彈簧的可靠性設(shè)計(jì) 彈簧是機(jī)械產(chǎn)品中的重要基礎(chǔ)件之一。它的種類很多，按形狀劃分有：螺旋彈簧、板（片）簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、平面（截錐）蝸卷彈簧等；按承載特點(diǎn)劃分有：壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)等彈簧。還有按成形方式、材質(zhì)等劃分彈簧的方法。 彈簧承受的應(yīng)力主要有：彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、拉壓應(yīng)力和復(fù)合應(yīng)力等。 彈簧的故障模式主要有：斷裂、變形、松馳、磨損

6、。其中最主析是斷裂和變形。彈簧的故障模式分類模式分類模式分類說說 明明斷裂斷裂脆性斷裂脆性斷裂彈簧斷裂中絕大部屬于脆性斷裂。只有當(dāng)工作溫度較式彈簧斷裂中絕大部屬于脆性斷裂。只有當(dāng)工作溫度較式時(shí)，才有可能出現(xiàn)塑性斷裂（如切變形斷裂及蠕變斷裂時(shí)，才有可能出現(xiàn)塑性斷裂（如切變形斷裂及蠕變斷裂等）。在工程上把疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂及氫脆斷裂等）。在工程上把疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂及氫脆斷裂等稱為脆性斷裂等稱為脆性斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂彈簧在循環(huán)載荷作用下的斷裂彈簧在循環(huán)載荷作用下的斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下引起彈簧斷裂現(xiàn)象在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下引起彈簧斷裂現(xiàn)象腐蝕疲勞斷

7、裂腐蝕疲勞斷裂彈簧在循環(huán)載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的斷裂彈簧在循環(huán)載荷和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的斷裂氫脆、鎘脆、黑脆氫脆、鎘脆、黑脆由于彈簧材料中有害物質(zhì)含量過高引起的脆斷由于彈簧材料中有害物質(zhì)含量過高引起的脆斷松馳或變形松馳或變形磨損磨損磨損分為：磨料、疲勞和腐蝕磨損磨損分為：磨料、疲勞和腐蝕磨損彈簧常規(guī)設(shè)計(jì)的主要公式：最大剪切應(yīng)力 曲度系數(shù)Ks彈簧指數(shù)C 38dFDkCCCks615. 01414dDC 彈簧常規(guī)設(shè)計(jì)的主要公式: 彈簧受載后的軸向變形y 彈簧剛度k 438GdnFDy nDGdyFk34853彈簧的可靠性設(shè)計(jì)n圓柱型螺旋彈簧的可靠性設(shè)計(jì) （1）確定失效應(yīng)力分布 （2）確定

8、強(qiáng)度分布 （3）計(jì)算可靠度n實(shí)例：一螺旋壓縮彈簧的參數(shù)如下，試確定下列問題：（1）在設(shè)計(jì)壽命為N=5104次時(shí)的可靠度；（2）在設(shè)計(jì)壽命為N106次時(shí)的可靠度；參 數(shù)均 值標(biāo)準(zhǔn)差d2.0mm0.008mmD16.0mm0.0928mmG79250MPa1585MPan140.0833Y20mm0.4mmb1667MPa84MPa54齒輪的可靠性設(shè)計(jì)n1）齒輪輪齒的故障模式及其特征n2）齒輪可靠性設(shè)計(jì)的基本方法n3）齒面接觸疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)n4）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)1）齒輪輪齒的故障模式及其特征故障模式特征舉例損壞部位示意圖表面接觸疲勞損傷麻點(diǎn)疲勞剝落麻點(diǎn)疲勞剝落在輪齒節(jié)圓附近，由表

9、面產(chǎn)生裂紋，造成深淺不同的點(diǎn)狀或豆?fàn)畎伎映惺茌^高的接觸應(yīng)力的軟齒面（正火調(diào)質(zhì)狀態(tài)）和部分硬齒面齒輪淺層疲勞剝落淺層疲勞剝落在輪子齒節(jié)圓附近，由內(nèi)部或表面產(chǎn)生裂紋，造成深淺不同、面積大小不同的片狀剝落承受高接觸應(yīng)力的重載硬齒面（表面經(jīng)強(qiáng)化處理）齒輪硬化層剝落硬化層剝落經(jīng)表面強(qiáng)化處理的齒輪在很大接觸應(yīng)力作用下，由于應(yīng)力/強(qiáng)度比值大于0.55，在強(qiáng)化層過渡區(qū)產(chǎn)生平筆于表面的疲勞裂紋，造成硬化層壓碎，大塊剝落承受高接觸應(yīng)力的重戴硬齒面（表面經(jīng)強(qiáng)化處理）齒輪齒輪彎曲斷裂疲勞斷齒疲勞斷齒表面硬化（滲碳、碳氮共滲、感應(yīng)淬火等）齒輪，一般在輪齒承受最大交變彎曲應(yīng)力的齒輪根部產(chǎn)生疲勞斷裂。斷口呈疲勞特征承受彎曲

10、應(yīng)力較大的變速箱齒輪和最終傳動(dòng)齒輪等過載斷齒過載斷齒一般發(fā)生在輪齒承受最大彎曲應(yīng)力的齒根部位，由于材料脆性過大或突然受到過載和沖擊，在齒根處產(chǎn)生脆性折斷，斷口粗糙變速箱齒輪等磨損磨粒磨損磨粒磨損潤(rùn)滑介質(zhì)中含有類角硬質(zhì)顆粒和金屬屑粒，尤如刀刃切削輪齒表面，使齒面幾何形狀發(fā)生畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使齒頂變尖，磨得像刀刃一樣在有灰沙環(huán)境工作的開式齒輪，礦山機(jī)械傳動(dòng)齒輪等腐蝕磨損腐蝕磨損在潤(rùn)滑介質(zhì)中含有化學(xué)腐蝕成分，與材料表面發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生紅褐色腐蝕產(chǎn)物（主要是二氧化鐵），受嚙合磨擦和潤(rùn)滑劑的沖刷而脫落在化學(xué)腐蝕環(huán)境中工作的齒輪膠合磨損膠合磨損輪齒表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于速度大，齒面接觸點(diǎn)局部溫度升

11、高（熱粘合）或低速重載（冷粘合）使表面油膜破壞，產(chǎn)生金屬局部粘合而又撕裂，一般在接近齒頂或齒根部位速度大的地方，造成與軸線重直的刮傷痕跡和細(xì)小密集的粘焊節(jié)瘤，齒面被破壞，噪音變大高速傳動(dòng)齒輪、蝸桿等齒端沖擊磨損齒端沖擊磨損變速箱換檔齒輪在換檔時(shí)齒端部受到?jīng)_擊載荷，使齒端部產(chǎn)生磨損、打毛或崩角變速箱換檔齒輪受多次換檔沖擊載荷作用齒面塑性變形塑性變形塑性變形在瞬時(shí)過載和磨擦力很大時(shí)，軟齒面齒輪表面發(fā)生塑性變形，呈現(xiàn)凹溝、凸角和飛邊，甚至使齒輪扭曲變形造成輪齒塑性變形軟齒面齒辦過載壓痕壓痕當(dāng)有外界異物或從輪齒上脫落的金屬碎片進(jìn)入嚙合部位，在齒面上壓出凹坑，一般凹痕線平，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使輪齒局部變形齒輪嚙合

12、時(shí)有異物壓入塑變折皺塑變折皺硬齒面齒輪（尤其是雙曲線齒輪）當(dāng)短期過載磨擦力很大時(shí)，齒面出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，呈波紋形折皺，嚴(yán)重破壞齒廓硬齒面齒輪過載齒輪故障模式所占比例序序 號(hào)號(hào)齒輪故障模式齒輪故障模式占總故障模式所占比例占總故障模式所占比例/%1疲勞斷齒疲勞斷齒32.82過載斷齒過載斷齒19.53輪齒碎裂輪齒碎裂4.34輪子轂撕裂輪子轂撕裂4.65表面疲勞表面疲勞20.36表面磨損表面磨損13.27齒面塑性變形齒面塑性變形5.3失效形式 1.輪齒折斷n齒根彎曲應(yīng)力大；n齒根應(yīng)力集中.輪齒折斷失效形式 2.齒面點(diǎn)蝕n輪齒在節(jié)圓附近一對(duì)齒受力n載荷大；滑動(dòng)速度低形成油膜條件差；n接觸疲勞產(chǎn)生的小裂紋

13、-擴(kuò)展-脫落-凹坑 。磨損 失效形式 3.齒面磨損 砂粒、金屬屑主動(dòng)被動(dòng)失效形式4.齒面膠合高速重載；散熱不良；滑動(dòng)速度大；齒面粘連后撕脫措施：減小模數(shù)，降低齒高；抗膠合能力強(qiáng)的潤(rùn)滑油；材料的硬度及配對(duì).齒面膠合 失效形式 5.齒面塑性變形被動(dòng)相對(duì)滑動(dòng)方向主動(dòng)磨損、塑性變形2 2）齒輪可靠性設(shè)計(jì)的基本方法）齒輪可靠性設(shè)計(jì)的基本方法 以常規(guī)設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)，以其設(shè)計(jì)參數(shù)作為隨機(jī)變量，將由設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得的有關(guān)數(shù)據(jù)按統(tǒng)計(jì)量處理。3）齒面接觸疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)（1）確定齒面接觸應(yīng)力的分布參數(shù)（2）確定齒面接觸疲勞強(qiáng)度的分布參數(shù)4）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)（1）確定齒根彎曲應(yīng)力的分布參數(shù)（2）確定齒根

14、彎曲疲勞強(qiáng)度的分布參數(shù)（3）計(jì)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度下齒輪的可靠度55軸的可靠性設(shè)計(jì)n1）軸的力學(xué)模型n2）傳動(dòng)軸的可靠性設(shè)計(jì)n3）心軸的可靠性設(shè)計(jì)n4）轉(zhuǎn)軸的可靠性設(shè)計(jì)n5）軸的剛度可靠性模型n6）軸強(qiáng)度可靠性模型的應(yīng)用軸件的故障模式模式分類模式分類說說 明明斷裂斷裂靜載斷裂靜載斷裂一次性施加的靜載荷過大引起斷裂一次性施加的靜載荷過大引起斷裂沖擊斷裂沖擊斷裂一次性高速?zèng)_擊載荷引起的斷裂一次性高速?zèng)_擊載荷引起的斷裂應(yīng)力腐蝕及應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞斷裂腐蝕疲勞斷裂在腐蝕性介質(zhì)中使用的零件，在靜應(yīng)力或交變應(yīng)力作在腐蝕性介質(zhì)中使用的零件，在靜應(yīng)力或交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的斷裂用下產(chǎn)生的斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂零件在

15、交變應(yīng)力作下產(chǎn)生的斷裂零件在交變應(yīng)力作下產(chǎn)生的斷裂表面表面損傷損傷磨損磨損零件在交變載荷作用下產(chǎn)生的一種表面損傷零件在交變載荷作用下產(chǎn)生的一種表面損傷腐蝕腐蝕零件表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕零件表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕導(dǎo)致表面損傷導(dǎo)致表面損傷接觸疲勞接觸疲勞零件在交變接觸應(yīng)力作用下，出現(xiàn)表面剝落現(xiàn)象零件在交變接觸應(yīng)力作用下，出現(xiàn)表面剝落現(xiàn)象塑性塑性變形變形超出設(shè)計(jì)允許的過度的彈性、塑性變形。超出設(shè)計(jì)允許的過度的彈性、塑性變形。1）軸的力學(xué)模型n心軸彎矩作用（彎曲變形）n傳動(dòng)軸扭矩作用（扭轉(zhuǎn)變形）n轉(zhuǎn)軸彎扭作用（彎曲與扭轉(zhuǎn)變形）n傳動(dòng)軸：扭矩Tn 心軸 ： 彎矩M

16、 n轉(zhuǎn)軸： T + M2）傳動(dòng)軸的強(qiáng)度可靠性模型n傳動(dòng)軸的應(yīng)力分布n傳動(dòng)軸的靜強(qiáng)度分布n傳動(dòng)軸的剪切疲勞強(qiáng)度極限分布n傳動(dòng)軸的強(qiáng)度可靠性模型材材 料料 t-1/MPa材材 料料 t-1/MPa45(正火正火)167.940Cr(調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì))296.945(調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì))200.340CrNiM0(調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì))407.9常用國(guó)產(chǎn)機(jī)械材料剪切疲勞強(qiáng)度極限常用國(guó)產(chǎn)機(jī)械材料剪切疲勞強(qiáng)度極限3）心軸的強(qiáng)度可靠性模型n心軸的應(yīng)力分布n心軸的靜強(qiáng)度分布n心軸的對(duì)稱彎曲疲勞強(qiáng)度極限分布n心軸的強(qiáng)度可靠性模型4）轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度可靠性模型n轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力分布n轉(zhuǎn)軸的靜強(qiáng)度分布n轉(zhuǎn)軸的疲勞強(qiáng)度極限分布n轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度可靠性模型 4.作出扭矩圖T5.作出當(dāng)量彎矩圖 垂直彎矩 Mxz22.