1、第5章 机械零部件的可靠性设计,5.1概述5.2螺栓连接的可靠性设计5.3弹簧的可靠性设计5.4齿轮的可靠性设计5.5轴的可靠性设计5.6轴承的可靠性设计,第5章 机械零部件的可靠性设计,5.1概述1)机械可靠性设计基础:常规机械设计的原理、准则、计算方法方法：将设计变量认为是服从某种分布的随机变量，并应用概率论与数理统计方法推导出可靠度计算表达式。内容：在给定的可靠度条件下确定零件的参数和结构尺寸；或已知零件的参数和结构尺寸确定其可靠度及安全寿命。,2）不同机械产品的故障后果及可靠度要求,3）产品的可靠度等级,4)国外机械产品可靠性指标推荐值,5.2螺栓连接的可靠性设计,1）受拉螺栓的连接设
2、计步骤：（1）确定设计准则（2）选择螺栓材料，确定其强度分布（3）确定螺栓的应力分布（4）应用联结方程求解螺栓直径变异系数材料的尺寸、加工、热处理等引起的材料强度变化，为材料的强度标准差与其均值的比值。,受拉螺栓的连接的可靠性设计,实例：已知某汽缸内径D=380mm， 缸内工作压力p=01.7MPa，螺栓数目n=8，采用金属垫片，试设计此缸盖的螺栓，且要求螺栓连接的可靠度R=0.999999。,算 例,5.2螺栓连接的可靠性设计,2）受剪切螺栓连接 （1）按受剪螺栓进行设计 （2）按挤压进行设计设计步骤：（1）确定设计准则（2）选择螺栓材料，确定其强度分布（3）确定螺栓的应力分布（4）应用联结
3、方程求解螺栓直径,受剪切螺栓连接,实例：已知某受剪切连接的螺栓，载荷F为等幅交变载荷，呈正态分布，其均值和标准差为F（ ）=F（24000，1440）N承剪面数n=2，预紧力忽略不计。从安全考虑，在10000个螺栓中，只允许有两次因螺栓失效引起的停工，请设计此连接螺栓。,5.2螺栓连接的可靠性设计,分析比较：安全系数设计法可靠性设计法,53弹簧的可靠性设计,弹簧是机械产品中的重要基础件之一。它的种类很多，按形状划分有：螺旋弹簧、板（片）簧、碟形弹簧、环形弹簧、平面（截锥）蜗卷弹簧等；按承载特点划分有：压缩、拉伸、扭转等弹簧。还有按成形方式、材质等划分弹簧的方法。 弹簧承受的应力主要有：弯曲应力
4、、扭转应力、拉压应力和复合应力等。 弹簧的故障模式主要有：断裂、变形、松驰、磨损。其中最主析是断裂和变形。,弹簧的故障模式分类,弹簧常规设计的主要公式：,最大剪切应力 曲度系数Ks弹簧指数C,弹簧常规设计的主要公式:,弹簧受载后的轴向变形y 弹簧刚度k,53弹簧的可靠性设计,圆柱型螺旋弹簧的可靠性设计 （1）确定失效应力分布 （2）确定强度分布 （3）计算可靠度,实例：一螺旋压缩弹簧的参数如下，试确定下列问题：（1）在设计寿命为N=5104次时的可靠度；（2）在设计寿命为N106次时的可靠度；,54齿轮的可靠性设计,1）齿轮轮齿的故障模式及其特征2）齿轮可靠性设计的基本方法3）齿面接触疲劳强度
5、的可靠性设计4）齿根弯曲疲劳强度的可靠性设计,1）齿轮轮齿的故障模式及其特征,齿轮故障模式所占比例,失效形式,1.轮齿折断齿根弯曲应力大；齿根应力集中,.轮齿折断,失效形式 2.齿面点蚀,轮齿在节圆附近一对齿受力载荷大；滑动速度低形成油膜条件差；接触疲劳产生的小裂纹-扩展-脱落-凹坑 。,磨损,失效形式 3.齿面磨损 砂粒、金属屑,失效形式,4.齿面胶合高速重载；散热不良；滑动速度大；齿面粘连后撕脱,措施：减小模数，降低齿高；抗胶合能力强的润滑油；材料的硬度及配对,.齿面胶合,失效形式 5.齿面塑性变形,磨损、塑性变形,2）齿轮可靠性设计的基本方法,以常规设计作为基础，以其设计参数作为随机变量
6、，将由设计手册中查得的有关数据按统计量处理。,3）齿面接触疲劳强度的可靠性设计,（1）确定齿面接触应力的分布参数（2）确定齿面接触疲劳强度的分布参数,4）齿根弯曲疲劳强度的可靠性设计,（1）确定齿根弯曲应力的分布参数（2）确定齿根弯曲疲劳强度的分布参数（3）计算齿根弯曲疲劳强度下齿轮的可靠度,55轴的可靠性设计,1）轴的力学模型2）传动轴的可靠性设计3）心轴的可靠性设计4）转轴的可靠性设计5）轴的刚度可靠性模型6）轴强度可靠性模型的应用,轴件的故障模式,1）轴的力学模型,心轴弯矩作用（弯曲变形）传动轴扭矩作用（扭转变形）转轴弯扭作用（弯曲与扭转变形）, ,传动轴：扭矩T 心轴 ： 弯矩M 转轴
7、： T + M,2）传动轴的强度可靠性模型,传动轴的应力分布传动轴的静强度分布传动轴的剪切疲劳强度极限分布传动轴的强度可靠性模型,常用国产机械材料剪切疲劳强度极限,3）心轴的强度可靠性模型,心轴的应力分布心轴的静强度分布心轴的对称弯曲疲劳强度极限分布心轴的强度可靠性模型,4）转轴的强度可靠性模型,转轴的应力分布转轴的静强度分布转轴的疲劳强度极限分布转轴的强度可靠性模型,4.作出扭矩图T,5.作出当量弯矩图,垂直弯矩 Mxz,1.作出轴的受力图，计算支反力；,2.作出弯矩图 水平弯矩 Mxy,Mxy,Mxz,Ft,Fa,Fr,5）轴的刚度可靠性模型,轴的变形轴的刚度可靠性模型,6）轴强度可靠性模型的应用,轴的可靠性预测轴的可靠性设计,5.6轴承的可靠性设计,受力径向力、轴向力（交变载荷）失效接触疲劳破坏特点寿命差异很大疲劳寿命to=0的二参数威布儿分布（失效 概率F（t)=0.070.60时）t90指可靠度为90%时对应的寿命（额定寿命为1000万转）,再见,
