機械零件可靠性設(shè)計8

機械可靠性設(shè)計原理1Evaluation

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Aspose.Slides蘇f州or大.學(xué)N城ET市3軌.道5交C通li學(xué)e院nt鞠Pr華ofiCopyright

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Ltd.機械產(chǎn)品可靠性的特點2

機械產(chǎn)品的失效主要是耗損型失效（例如疲勞、老化、磨損、腐蝕和強度退化等），而電子產(chǎn)品的失效主要是由于偶然因素造成的。機械產(chǎn)品的失效模式很多，甚至同一零部件有多種重要的失

機械產(chǎn)品的組成零部件多是非標(biāo)準(zhǔn)件，其失效統(tǒng)計值分散，造成失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計困難，象電子產(chǎn)品那樣預(yù)計其失效率很困難

機械產(chǎn)品的不同失效模式之間往往是相關(guān)的，在進行可靠性分析時需要考慮失效模式相關(guān)性。

耗損型失效的失效率隨Ev時a間lu增a長ti，o所n

以on機l械y.產(chǎn)品的失效率隨時間的變化一般不是恒定值，符合這一特性的分布有正態(tài)分ed

w布it、h威A布sp爾o分se布.、Sl對i數(shù)de正s態(tài)f分o布r

和.N極E值T

分3.布5等C。lient

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Ltd.機械產(chǎn)品可靠性工作的特點3?

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)或FMEA方法確定產(chǎn)品的可靠性關(guān)鍵件和重要件及其相應(yīng)的失效模式，然后針對其主要失效模式進

行概率設(shè)計，如靜強度概率設(shè)計、疲勞和斷裂概率設(shè)計、磨損和腐蝕概率分析設(shè)計等，確保關(guān)鍵件和重要件的可

靠性達到設(shè)計要求。注意產(chǎn)品的維修性和使用操作問題。

強調(diào)根據(jù)以往的工程實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)制定可靠性設(shè)計準(zhǔn)則并指導(dǎo)機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計。結(jié)合失效模式分析提出適于某機械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，供該產(chǎn)品研制設(shè)計時E使v用al。uation

only.ed?w注it重h

失As效po模se式.分Sl析id，e以s

f防o止r

出.N現(xiàn)ET失3效.5為C設(shè)li計e宗nt旨P。rofi對可靠C性op關(guān)yr鍵i件gh和t重20要04件-進20行11概A率sp設(shè)o計se

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Ltd.機械產(chǎn)品可靠性工作特點4的失效信息對于復(fù)雜的機械產(chǎn)品由于體積大、成本高、費用在產(chǎn)品研制過程中重視可靠性試驗對保證產(chǎn)品可靠性的作用必要時需進行現(xiàn)E場va可lu靠a性ti試on驗o，nl或y收.集使用現(xiàn)場ed

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Profi高等C原op因yr不i能gh進t行20可04靠-性20試11驗A，sp這o時se可P采ty用L較td低.層次（子系統(tǒng)、部件、組件或零件）的可靠性試驗，然后綜合試驗結(jié)果、應(yīng)力分析結(jié)果和類似產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)及產(chǎn)品現(xiàn)場使用的情況，對其可靠性進行綜合評價。應(yīng)力-強度分布干涉理論5

應(yīng)力-強度分布干涉理論是以應(yīng)力-強度分布干涉模型為基礎(chǔ)的，該模型可清楚地揭示機械

零件產(chǎn)生故障而E有va一lu定a故ti障on率on的ly原.因和機械ed

w強it度h

A可sp靠os性e.設(shè)S計li的de本s

f質(zhì)or。.NET

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應(yīng)力：Co產(chǎn)py品ri的gh工t

作20值04，-2如01應(yīng)1

A力s、po壓se力Pt、y

力Lt、d.載荷、變形量、磨損量、溫度等，常用s表示。

強度：產(chǎn)品能承受這些工作值的能力，用δ表示。應(yīng)力—強度干涉理論6δ

>

s

機械產(chǎn)品的可靠度可以說成是機械產(chǎn)品的強度大于施加于該產(chǎn)品的應(yīng)力的概率。

在機械產(chǎn)品中，零件（部件）是正常還是失效決定于強度和應(yīng)力的關(guān)系。當(dāng)零件（部件）的強度大于應(yīng)力時，其能夠正常工作；當(dāng)零件（部件）E的va強l度ua小t于io應(yīng)n力o時nl，y其.發(fā)生失效。ed

with?A因s此po，s要e.求S零li件d（es部件fo）r在.規(guī)NE定T的3條.5件C下l和ie規(guī)n定t

的Pr時ofi間C內(nèi)op能y夠r承ig載h，t

必20須0滿4-足2以01下1條A件spose

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Ltd.涉模型。在應(yīng)力——強度干涉模型理論中，根據(jù)可靠度的定義，強度大于應(yīng)力的概率可表示為實際工程中的應(yīng)力和強度都是呈分布狀態(tài)的隨機變量，把應(yīng)力和強度的分布在同一坐標(biāo)系中表示零件的強度值與應(yīng)力值的離散性，使應(yīng)力-強度兩概率密度函數(shù)曲線在一定的條件下可能相交，這個相交的區(qū)域就是產(chǎn)品或零件可能出現(xiàn)故障的區(qū)域，稱為干涉區(qū)。這種根據(jù)應(yīng)力和強E度va干l涉ua情t況io，n計o算nl干y涉.區(qū)內(nèi)強度小于7ed

wit應(yīng)h

力As的p概os率e（.S失l效id概e率s

）fo的r模.型N型E，T稱3.為5應(yīng)C力li—e—nt強P度r干ofiCopyright

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Ltd.應(yīng)力－強度干涉模型（1）、如圖中所示的相交的區(qū)域，即干涉區(qū)域，就是產(chǎn)品可能發(fā)生故障的區(qū)域。Evaluation

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Profi（2)、在安Co全p系yr數(shù)i大gh于t12004-2011

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Ltd.的情況下仍然會存在一定的不可靠度。8材料機械性能統(tǒng)計和概率分布載荷統(tǒng)計和概率分布應(yīng)力計算應(yīng)力統(tǒng)計和概率分布強度統(tǒng)計和概率分布幾何尺寸分布和其他隨機因素機械強度可靠性設(shè)計機械強度可靠性設(shè)計過程框圖9Evaluation

only.強度計算ed

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Ltd.下面要解決的三個問題10

1）知道了零件的應(yīng)力和強度的分布后，如何求零件的可靠度。2）一般的安全系Ev數(shù)al與ua可ti靠on度o意nl義y.下的安全系

ed

w數(shù)it的h

A區(qū)sp別os。e.Slides

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Profi3）一C般op機yr械ig零ht件2設(shè)00計4-的20可11靠A度sp設(shè)os計e

P？ty

Ltd.問題一、知道了應(yīng)力和強度的分布，求零件的可靠度特殊情況（公式法）：1）應(yīng)力和強度均為正態(tài)分布時的可靠性計算當(dāng)應(yīng)力S和強度δ均為正態(tài)分布時，則它們的差也是正態(tài)分布，且有不可靠度為：Evaluation

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Ltd.化成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，令則當(dāng)y＝0時可靠度為Evaluation

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Ltd.令靠性因數(shù)或可靠性指標(biāo)。13將應(yīng)力分布參數(shù)、強度Ev分a布lu參a數(shù)ti和o可n靠on度l三y.者聯(lián)系起來了，ed

w故i稱th為A聯(lián)s結(jié)po方s程e.，S它li是d可es靠f性o設(shè)r

計.N的E基T

本3.公5式C，lizeR稱nt為P可rofiCopyright

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Ltd.討論當(dāng)強度均值大于應(yīng)力的均值時，方差越大，可靠度越小。14Evaluation

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with當(dāng)強A度s和p應(yīng)os力e的.均S值l相i等d時e，s可f靠o度r等.于N0.E5

T

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Ltd.2）當(dāng)應(yīng)力和強度均為對數(shù)正態(tài)分布時可靠性計算設(shè)隨機變量s和δ服從對數(shù)正態(tài)分布，即它們對數(shù)lns和lnδ服從正態(tài)分布，它們的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：正態(tài)分布下的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別是變量S和δ的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，Eval分u別a是tilnos和nlonδn的l均y值.和標(biāo)準(zhǔn)差，即15ed

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Profi則他們之Co間py具r有ig下ht列2關(guān)00系4：-2011

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Ltd.當(dāng)應(yīng)力和強度均為對數(shù)狀態(tài)分布時，有：知道了服從正態(tài)分布的的均值標(biāo)準(zhǔn)差為Evaluation

only.16ed

w則it變h量Ays的po均s值e.和S標(biāo)li準(zhǔn)d差e分s

別fo為r：.NET

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Ltd.和正態(tài)分布一樣，化成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。令則17則有Evaluation

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Ltd.例題例1：已知汽車某零件的工作應(yīng)力及材料強度均為正態(tài)分布，且應(yīng)力的均值μs=380MPa,標(biāo)準(zhǔn)差σs=42MPa，材料強度的均值為

850MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為81MPa。試確定零件的可靠度。另一批零件由于熱處理不佳及環(huán)境溫度的較大變化，使零件強度的標(biāo)準(zhǔn)差增大至120MPa.問其可靠度又如何？查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布值，得R=0.999

999

9.18Evaluation

only.ed解w：it利h用A聯(lián)sp結(jié)o方se程.Slides

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Ltd.例題1當(dāng)強度的標(biāo)準(zhǔn)差增大到120MPa時，Evaluation

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Profi查標(biāo)準(zhǔn)正C態(tài)o分py布r值ig，h得t

R2=000.949-928091.1

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Ltd.192、概率密度函數(shù)聯(lián)合積分法（一般情況）上述兩事件相互獨立，同時發(fā)生的概率應(yīng)當(dāng)是它們的積：即應(yīng)力落在小區(qū)間

ds內(nèi)的可靠度為dR應(yīng)力s0處于ds區(qū)間內(nèi)的概率為Evaluation

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Ltd.20同理還可以推出另一個對稱的公式應(yīng)力落在小區(qū)間ds內(nèi)的可靠度dR為：Evaluation

only.ed應(yīng)w力it落h在A整sp個o區(qū)se間.（Sl－i∞d，es＋f∞o）r

的.N概E率T

R3為.5

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Ltd.21例：當(dāng)應(yīng)力和強度均為指數(shù)分布時Evaluation

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Ltd.22由于指數(shù)分布的強度和應(yīng)力的均值分別為Evaluation

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with所A以sp可os靠e.度S為li：des

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Ltd.23問題二：可靠性安全系數(shù)（1)傳統(tǒng)的安全系數(shù)傳統(tǒng)的設(shè)計以安全系數(shù)確定構(gòu)件的尺寸，僅僅以強度均值與應(yīng)力均值之比作為安E全v系al數(shù)u，a忽ti視o了n

強on度l的y.波動(σδ的變化)ed以wi及t應(yīng)h力As的p波o動se.(σSsl的id變e化s)f，o這r種.N設(shè)E計T不3.能5確C切l(wèi)地ie反n映t

結(jié)Pr構(gòu)ofi的可靠性。Copyright

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Ltd.24（2）可靠度安全系數(shù)這樣，零件失效的概率為0.13％×0.13％＝1.69×10-5概率設(shè)計條件下的安全系數(shù)n為：（在一定可靠度下）25最小的強度δmin與最大的應(yīng)力Smax之比，即Evaluation

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wi用th最A(yù)小s強po度s與e.最S大lides

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Profi應(yīng)力之比表Co示p安yr全i系gh數(shù)t

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Ltd.假定當(dāng)應(yīng)力和強度均為正態(tài)分布,方差相等,且n=1時,有Evaluation

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Ltd.26δR可靠度意義下的安全系數(shù)例，當(dāng)27時則在強度和應(yīng)力的可靠Ev度a分lu別a為tRio和nRso時nl的y安.全系數(shù)n

，ed

w稱it為h可A靠sp度o意se義.下Sl的i安de全s系f數(shù)or，.用N下ET式3表.示5：Client

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Ltd.例1 在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計中，已知強度與應(yīng)力均服從正態(tài)分布，二批材料強度的均值都為μδ

=500OOMPa。由于材料內(nèi)在質(zhì)量有所差別，強度的標(biāo)準(zhǔn)差不同，分別為 =1000MPa

和12000Mpa，二批材料應(yīng)力的均值為μS=300O0MPa,應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差均為σs

=3000MPa。請分別計算平均安全系數(shù)和可靠度。解：平均安全系數(shù)為：可靠度為：Evaluation

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Ltd.例2 某汽車零件，其強度和應(yīng)力均服從正態(tài)分布，強度的均=350N/mm2、σδ=30

N/mm2，應(yīng)力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為:值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為:=310

N/mm2、σS=10

N/mm2，試計算該零件的安全系數(shù)、可靠度和“3σ”可靠度意義下的安全系數(shù)?解：(1)依照傳統(tǒng)設(shè)計E的va方l法ua，t其io安n全o系n數(shù)ly應(yīng).當(dāng)為29ed

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Ltd.(2)如果該零件按照概率設(shè)計方法，則計算可靠度得到（3）“R3σ”可靠性含義下的安全系數(shù)：Evaluation

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Ltd.30問題三：零件的可靠度設(shè)計機械可靠性設(shè)計的基本原理和方法就在于如何把應(yīng)力分布、強度分布和可靠度在概率的意義下聯(lián)系起來，構(gòu)成一種設(shè)計計算的依據(jù)。零件設(shè)計中的強度和應(yīng)力分布材料的靜強度分布試驗證明，一般材料E的v強al度u極at限i、o屈n

服on極l限y.、延伸率和硬度等均符合正態(tài)分布?？刹楸淼玫?。ed?wi應(yīng)t力h分A布spose.Slides

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Profi取決于力Co和p尺yr寸i的gh分t布2004-2011

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Ltd.一般認為，力為正態(tài)分布，均值和方差由試驗確定而尺寸也為正態(tài)分布，均值與公稱尺寸相同，標(biāo)準(zhǔn)差為公差Δ的1/3,即：（以上假設(shè)與事實基本相符，略偏安全）31（2）一般函數(shù)的統(tǒng)計特征值例：實心圓桿拉伸應(yīng)力寬度，t為齒輪厚度32公式中的力F、尺寸r、h、b、t都是隨機變量，如果知道了這些變量的分布或統(tǒng)計特征值，如何求得應(yīng)力s的特征值？?一般將強度和應(yīng)力都近似為正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，這樣關(guān)鍵是求它們的均值和標(biāo)準(zhǔn)差齒輪齒根的彎曲應(yīng)Ev力aluation

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Profi式中：CFo為py力r，igr為ht圓2桿0半04徑-，20h1為1齒A輪s高po度s，e

bP為ty齒L輪td.

已知各隨機變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，求隨機變量函數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差的方法主要有泰勒展開法、變異系數(shù)法E、va基lu本a函ti數(shù)on法on等ly。.ed

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Ltd.33基本函數(shù)形式的統(tǒng)計特征值函數(shù)期望標(biāo)準(zhǔn)差Evaluation

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Ltd.34根據(jù)零件的可靠度設(shè)計零件(計算零件主要尺寸）零件設(shè)計的一般過程是先按經(jīng)驗設(shè)計（確定尺寸），再檢驗可靠度，但也有相反的情況。例如：設(shè)有圓形拉桿，已知Ev受a載lu荷a均ti值o和n

標(biāo)on準(zhǔn)l差y.為35ed

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Profi材料的Co拉p伸yr強i度gh的t均2值00和4標(biāo)-2準(zhǔn)0差11為Aspose

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Lt，d.求在可靠度R＝0.99條件下的最小半徑的