機械零件可靠性設(shè)計解析課件

第5章機械零部件的可靠性設(shè)計5.1概述5.2螺栓連接的可靠性設(shè)計5.3彈簧的可靠性設(shè)計5.4齒輪的可靠性設(shè)計5.5軸的可靠性設(shè)計5.6軸承的可靠性設(shè)計2021/3/11第5章機械零部件的可靠性設(shè)計5.1概述1)機械可靠性設(shè)計基礎(chǔ):常規(guī)機械設(shè)計的原理、準則、計算方法方法：將設(shè)計變量認為是服從某種分布的隨機變量，并應(yīng)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計方法推導(dǎo)出可靠度計算表達式。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。2021/3/122）不同機械產(chǎn)品的故障后果及可靠度要求故障后果可靠度要求機械產(chǎn)品類型災(zāi)難性失事重大事故R（t）≥0.99999—1.0飛行器、軍事裝備、制動系統(tǒng)等經(jīng)濟性損失重大R（t）≥0.999工藝裝備、農(nóng)業(yè)機械等一般損失R（t）≥0.99修理費用在預(yù)算內(nèi)R（t）<0.9機器的不重要零部件2021/3/133）產(chǎn)品的可靠度等級可靠度等級012345可靠度值R（t）<0.9≥0.9≥0.99≥0.999≥0.9999≥0.999992021/3/144)國外機械產(chǎn)品可靠性指標推薦值產(chǎn)品類型可靠性指標可靠性指標數(shù)值小汽車R（t=1a）0.9967推土機行走機構(gòu)MTBF4000—5000hVolvo載重汽車大修理周期60萬kM汽車變速箱MTBF20000h軍用汽車MTBF12年滾動軸承R（N=106）0.9履帶式液壓挖掘機平均壽命10000h2021/3/155.2螺栓連接的可靠性設(shè)計1）受拉螺栓的連接設(shè)計步驟：（1）確定設(shè)計準則（2）選擇螺栓材料，確定其強度分布（3）確定螺栓的應(yīng)力分布（4）應(yīng)用聯(lián)結(jié)方程求解螺栓直徑變異系數(shù)——材料的尺寸、加工、熱處理等引起的材料強度變化，為材料的強度標準差與其均值的比值。2021/3/16受拉螺栓的連接的可靠性設(shè)計實例：已知某汽缸內(nèi)徑D=380mm，缸內(nèi)工作壓力p=0—1.7MPa，螺栓數(shù)目n=8，采用金屬墊片，試設(shè)計此缸蓋的螺栓，且要求螺栓連接的可靠度R=0.999999。算例2021/3/175.2螺栓連接的可靠性設(shè)計2）受剪切螺栓連接（1）按受剪螺栓進行設(shè)計（2）按擠壓進行設(shè)計設(shè)計步驟：（1）確定設(shè)計準則（2）選擇螺栓材料，確定其強度分布（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2021/3/18受剪切螺栓連接實例：已知某受剪切連接的螺栓，載荷F為等幅交變載荷，呈正態(tài)分布，其均值和標準差為F（）=F（24000，1440）N承剪面數(shù)n=2，預(yù)緊力忽略不計。從安全考慮，在10000個螺栓中，只允許有兩次因螺栓失效引起的停工，請設(shè)計此連接螺栓。2021/3/195.2螺栓連接的可靠性設(shè)計分析比較：安全系數(shù)設(shè)計法可靠性設(shè)計法

2021/3/1105．3彈簧的可靠性設(shè)計

彈簧是機械產(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。其中最主析是斷裂和變形。2021/3/111彈簧的故障模式分類模式分類說

明斷裂脆性斷裂彈簧斷裂中絕大部屬于脆性斷裂。只有當工作溫度較式時，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稱為脆性斷裂疲勞斷裂彈簧在循環(huán)載荷作用下的斷裂應(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松馳或變形

磨損磨損分為：磨料、疲勞和腐蝕磨損2021/3/112彈簧常規(guī)設(shè)計的主要公式：最大剪切應(yīng)力τ

曲度系數(shù)Ks彈簧指數(shù)C

2021/3/113彈簧常規(guī)設(shè)計的主要公式:彈簧受載后的軸向變形y

彈簧剛度k

2021/3/1145．3彈簧的可靠性設(shè)計圓柱型螺旋彈簧的可靠性設(shè)計（1）確定失效應(yīng)力分布（2）確定強度分布（3）計算可靠度2021/3/115實例：一螺旋壓縮彈簧的參數(shù)如下，試確定下列問題：（1）在設(shè)計壽命為N=5×104次時的可靠度；（2）在設(shè)計壽命為N≥106次時的可靠度；參數(shù)均值標準差d2.0mm0.008mmD16.0mm0.0928mmG79250MPa1585MPan140.0833Y20mm0.4mmσb1667MPa84MPa2021/3/1165．4齒輪的可靠性設(shè)計1）齒輪輪齒的故障模式及其特征2）齒輪可靠性設(shè)計的基本方法3）齒面接觸疲勞強度的可靠性設(shè)計4）齒根彎曲疲勞強度的可靠性設(shè)計2021/3/1171）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疲勞剝落

在輪齒節(jié)圓附近，由表面產(chǎn)生裂紋，造成深淺不同的點狀或豆狀凹坑承受較高的接觸應(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

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)強化處理）齒輪硬化層剝落

經(jīng)表面強化處理的齒輪在很大接觸應(yīng)力作用下，由于應(yīng)力/強度比值大于0.55，在強化層過渡區(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)強化處理）齒輪2021/3/118齒輪彎曲斷裂疲勞斷齒

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應(yīng)力較大的變速箱齒輪和最終傳動齒輪等過載斷齒

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2021/3/119磨損磨粒磨損

潤滑介質(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，嚴重時會使齒頂變尖，磨得像刀刃一樣在有灰沙環(huán)境工作的開式齒輪，礦山機械傳動齒輪等腐蝕磨損

在潤滑介質(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

輪齒表面在相對運動時，由于速度大，齒面接觸點局部溫度升高（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小密集的粘焊節(jié)瘤，齒面被破壞，噪音變大高速傳動齒輪、蝸桿等齒端沖擊磨損

變速箱換檔齒輪在換檔時齒端部受到?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2021/3/120齒面塑性變形塑性變形

在瞬時過載和磨擦力很大時，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

當有外界異物或從輪齒上脫落的金屬碎片進入嚙合部位，在齒面上壓出凹坑，一般凹痕線平，嚴重時會使輪齒局部變形齒輪嚙合時有異物壓入塑變折皺

硬齒面齒輪（尤其是雙曲線齒輪）當短期過載磨擦力很大時，齒面出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，呈波紋形折皺，嚴重破壞齒廓硬齒面齒輪過載2021/3/121齒輪故障模式所占比例序號齒輪故障模式占總故障模式所占比例/%1疲勞斷齒32.82過載斷齒19.53輪齒碎裂4.34輪子轂撕裂4.65表面疲勞20.36表面磨損13.27齒面塑性變形5.32021/3/122失效形式1.輪齒折斷齒根彎曲應(yīng)力大；齒根應(yīng)力集中2021/3/123.輪齒折斷2021/3/124失效形式2.齒面點蝕輪齒在節(jié)圓附近一對齒受力載荷大；滑動速度低形成油膜條件差；接觸疲勞產(chǎn)生的小裂紋-擴展-脫落-凹坑。2021/3/125磨損2021/3/126

失效形式3.齒面磨損砂粒、金屬屑2021/3/1272021/3/128失效形式4.齒面膠合高速重載；散熱不良；滑動速度大；齒面粘連后撕脫措施：減小模數(shù)，降低齒高；抗膠合能力強的潤滑油；材料的硬度及配對2021/3/129.齒面膠合2021/3/130失效形式5.齒面塑性變形2021/3/131磨損、塑性變形2021/3/1322）齒輪可靠性設(shè)計的基本方法以常規(guī)設(shè)計作為基礎(chǔ)，以其設(shè)計參數(shù)作為隨機變量，將由設(shè)計手冊中查得的有關(guān)數(shù)據(jù)按統(tǒng)計量處理。2021/3/1333）齒面接觸疲勞強度的可靠性設(shè)計（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度的分布參數(shù)2021/3/1344）齒根彎曲疲勞強度的可靠性設(shè)計（1）確定齒根彎曲應(yīng)力的分布參數(shù)（2）確定齒根彎曲疲勞強度的分布參數(shù)（3）計算齒根彎曲疲勞強度下齒輪的可靠度2021/3/1355．5軸的可靠性設(shè)計1）軸的力學(xué)模型2）傳動軸的可靠性設(shè)計3）心軸的可靠性設(shè)計4）轉(zhuǎn)軸的可靠性設(shè)計5）軸的剛度可靠性模型6）軸強度可靠性模型的應(yīng)用2021/3/136軸件的故障模式模式分類說

明斷裂靜載斷裂一次性施加的靜載荷過大引起斷裂沖擊斷裂一次性高速沖擊載荷引起的斷裂應(yīng)力腐蝕及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)力作用下產(chǎn)生的斷裂疲勞斷裂零件在交變應(yīng)力作下產(chǎn)生的斷裂表面損傷磨損零件在交變載荷作用下產(chǎn)生的一種表面損傷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)象塑性變形超出設(shè)計允許的過度的彈性、塑性變形。2021/3/1371）軸的力學(xué)模型

心軸——彎矩作用（彎曲變形）傳動軸——扭矩作用（扭轉(zhuǎn)變形）轉(zhuǎn)軸——彎扭作用（彎曲與扭轉(zhuǎn)變形）2021/3/138傳動軸：扭矩T心軸：彎矩M轉(zhuǎn)軸：T+M2021/3/1392）傳動軸的強度可靠性模型傳動軸的應(yīng)力分布傳動軸的靜強度分布傳動軸的剪切疲勞強度極限分布傳動軸的強度可靠性模型材料δt-1/MPa材料δt-1/MPa45(正火)167.940Cr(調(diào)質(zhì))296.945(調(diào)質(zhì))200.340CrNiM0(調(diào)質(zhì))407.9常用國產(chǎn)機械材料剪切疲勞強度極限2021/3/1403）心軸的強度可靠性模型心軸的應(yīng)力分布心軸的靜強度分布心軸的對稱彎曲疲勞強度極限分布心軸的強度可靠性模型2021/3/1414）轉(zhuǎn)軸的強度可靠性模型轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力分布轉(zhuǎn)軸的靜強度分布轉(zhuǎn)軸的疲勞強度極限分布轉(zhuǎn)軸的強度可靠性模型2021/3/1422021/3/1434.作出扭矩圖T5.作出當量彎矩圖垂直彎矩Mxz1.作出軸的受力圖，計算支反力；2.作出彎矩圖水平彎矩MxyMxyMxzFtFaFr2021/3/1445）軸的剛度可靠性模型軸的變形軸的剛度可靠性模型2021/3/1456）軸強度可靠性模型的應(yīng)用軸的可靠性預(yù)測軸的可靠性設(shè)計