普通圓柱蝸桿的可靠性設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上普通圓柱蝸桿的可靠性設計專業(yè)：機械設計及理論 姓名：李 博 學好：一、機械可靠性技術的發(fā)展歷程可靠性技術的研究開始于20世紀20年代，在結構工程設計中的應用始于20世紀柏年代?？煽啃约夹g最早應用在二戰(zhàn)末期德國V一火箭的誘導裝置上。德國火箭研究機構參加人之一RLusser首先提出了利用概率乘積法則，把一個系統的可靠度看成該系統的子系統可靠度的乘積。自從1946年Freuenthal在國際上發(fā)表“結構的安全度”一文以來，可靠性問題扦始引起學術界和工程界的普遍關注與重視。從已有的資料了解到國內外機械產品可靠性研究狀況如下：美國的可靠性研究起步較早，在機械產品可靠性理論方面，

2、一亞利桑那大學D.Kececioglu教授為首。主要研究機械零件的可靠性概率設計方法。在機械故障預防和檢測方面，以機械故障預防小組（MFPG）為代表對設計、診斷、監(jiān)測、故障等進行研究，在可靠性數據的收集和分析方面取得了很大的進步，并且編制了一些可靠性設計手冊和指南、可靠性數據手冊。日本的可靠性設計是從美國引進的，以民用產品為主，強調實用化，日本科技聯盟是其全國可靠性技術的推廣機構。在可靠性工程應用方面，比較重視可靠性試驗、故障診斷和壽命預測技術的研究與應用，以及產品失效分析、現場使用數據的收集和反饋。原蘇聯對機械可靠性的研究十分重視，并有其獨到之處。其可靠性技術應用主要靠國家標準推動，發(fā)布了一

3、系列可靠性標準。他們認為可靠性技術的主要內容是預測，即在產品設計和樣機試驗階段，預測和評估在規(guī)定的條件下的使用可靠性，研究各項指標隨時間變化的過程。他們認為可靠性研究的方向主要有兩個：一是可靠性數學統計方法和使用信息的統計處理技術，以及保證復雜系統可靠性的技術。二是適于機械制造行業(yè)，包括無力故障學機械零件的耐磨、耐熱、耐蝕等設計方法以及保證可靠性的工藝的方法研究。英國國家可靠性分析中心（NCRS）成立了機械可靠性研究小組，匯編出版了機械系統可靠性一書。從失效模式、使用環(huán)境、故障性質、篩選效果、實驗難度、維修方式和數據積累等7個方面闡明了機械可靠性應用的重點，提出了幾種機械系統可靠性的評估方法，

4、并強調重視數據積累。我國對機械產品可靠性研究起步較晚，20世紀80年代才得到較快發(fā)展，機械行業(yè)相繼成立了可靠性研究的相關協會，各有關院所和高校也開展了機械產品可靠性研究，制定了一批可靠性標準，取得了較大的成果。但總的看來，理論研究多，實際應用少，與西方國家差距大，有些成果尚不能完整地成熟地應用在不同的機械系統中二、廣義可靠性的研究現狀廣義可靠性包括：狹義可靠性與維修性，是指產品在其整個壽命期限內完成規(guī)定功能的能力。廣義可靠性亦稱隨即模糊可靠性，是同時考慮，不確定因素中隨機性和模糊性的總稱，廣義可靠性對于可能維修的產品和不可維修的產品有不同的意義，對于可能維修的產品來說，除了要考慮提高其可靠性外

5、，還應考慮提高其維修性，而對不可維修的產品來說，由于不存在維修問題，只需考慮提高其可靠性。三、機械產品可靠性設計的幾大難點與電子產品可靠性設計相比，機械產品可靠性設計呈現出以下特點，也是設計中的難點。機械產品故障模式多，且復雜。電子產品的失效模式比較簡單，而機械產品的失效模式比較復雜，多元化，主要表現為疲勞、磨損、腐蝕、老化等。故障原因復雜，多為關聯故障。電子產品在使用過程中發(fā)生的故障主要是由偶然因素造成的，而機械產品在使用過程中發(fā)生的故障原因比較復雜，有許多不定因素引起的，多為關聯故障。工作應力變化大，材料本身也存在區(qū)別。電子產品的應力容易預計而機械產品的應力波動比較大，材料的強度難以預計。

6、早期故障不易排除。電子產品可以通過篩選等排除早期失效，在經濟上是合理且有效的，而機械產品要開展這項工作在經濟上是困難的。難以采用標準零部件。一般情況下組成電子產品的元器件是標準件，其基本失效率接近常數，應此可按指數分布進行處理。一旦獲得其基本失效率數據、考慮環(huán)境因子等，則可進行電子產品的可靠性預計，而組成機械產品的零部件除標準件外有許多是非標準件，由于工作和使用環(huán)境的變化性，即使是標準件，在不同的情況下，它的失效率也不一樣，而且很難測定分布情況。維修方式也存在區(qū)別。電子產品常常用更換的方式進行維修，而機械產品常用修復和更換相結合的方式進行。試驗方案相差巨大。電子產品的可靠性試驗方案比較成熟，而

7、機械產品的壽命和可靠性試驗一般是小子樣，試驗時間長，且無公認的可靠性鑒定試驗統計方案，不同的機械產品其可靠性試驗方案也存在差別?？煽啃詳祿容^缺乏。電子產品的可靠性數據已經形成若干手冊或文件，而機械產品的可靠性數據還十分缺乏，這為機械可靠性研究帶來困難。四、 機械可靠性發(fā)展展望可靠性的思想與目前最先進的6&管理思想不謀而合，同樣是以精確的數字為標準對質量、性能進行控制，二者從不同角度提高產品質量，不同于以往模糊的定性的方法。當前對于機械產品的可靠性預計方法還處于靜態(tài)預測，不能考慮衡量其磨損老化過程，國外提出的可靠性概率物理模型，應用失效機理的物理參數作為預計參數，為機械產品可靠性的預計

8、指出了研究方向。機械產品可靠性是小樣本，有時候甚至是零失效，因此利用其老化數據的獲取對小樣本或無失效數據的可靠性評估方法的研究也是一個重要的發(fā)展方向。機械產品有著復雜的環(huán)境應力，因此環(huán)境引力對機械系統材料老化、損耗過程的影響和機械材料失效機理與環(huán)境的關系研究也是非常重要的。可靠性增長目前還沒有具體的解決模型，對于機械類產品，應用高應力進行加速可靠性增長試驗是非常有必要的。微型零件在其他領域的應用日趨廣泛微型機械的失效機理和宏觀的失效機理有很大不同，因此微型機械的可靠性問題也是可靠性未來發(fā)展的一個焦點問題。下面以圓柱齒輪蝸桿的可靠性設計為例介紹一下可靠性設計一般步驟。五、 明確普通圓柱齒輪蝸桿可

9、靠性設計的任務普通圓柱齒輪蝸桿的使用條件是連續(xù)使用并且不可修復，維修種類為用到損耗期，所以普通圓柱齒輪蝸桿可靠性設計的任務就是預盼其失效率和平均使用壽命。六、 確定有關的設計變量和參數蝸桿傳動的主要失效形式有：渦輪齒面點蝕、膠合或磨損。實踐表明，在一般情況下，渦輪輪齒彎曲疲勞折斷是少見的。所以我們確定齒面接觸應力為設計變量： H=ZE(9KT2qm3Z22)0.5 (式1)式中，ZE 為材料系數，對于青銅或鑄鐵制渦輪與鋼蝸桿配對時，取 ZE=160N/mm2；K為載荷系數；T2為蝸輪扭矩；q為蝸桿直徑系數；m為 模數；Z2為蝸輪齒數。常規(guī)設計公式是條件行的、近似的公式，因此，可仿照齒輪傳動引入

10、模型變異系數CHM=0.05.載荷系數為: K=KAKVKKhKtKw (式2)式中KA為工況系數，KV為動載系數，K為齒向載荷分布系數，Kh為小時載荷系數，K為環(huán)境溫度系數，Kw為風扇系數。 零件材料的強度是抵抗失效的極限工作應力，與材料性質、熱處理方式、應力種類以及其他很多因素（應力集中、表面質量、尺寸大小、工作溫度、環(huán)境等）有關。在機械可靠性設計中，零件的強度是用極限應力來表示的，都可用一多元函數予以描述： X=f（x1,x2,xn)式中x1，x2，, xn分別表示影響零件強度的有關因素，如材料性質、零件尺寸、應力集中、表面質量，等。齒輪的極限接觸應力 'Hlim=HlimZNZ

11、W 變異系數： CHlim'=(CHlim2+CZN2+CZS2)12 (式3)式中'Hlim、CHlim分別為基本接觸疲勞強度的均值及變異系數，可查表選?。?CHlim=0.01（n+p+1） 為精度等級，p為批量參數（單件生產，p=3；成批生產，p=2；大批生產，p=1）。ZN、CZN分別為壽命系數均值及變異系數，ZN=(107NL)18, CZN=0.04；ZW、CZS為滑動速度影響系數均值及變異系數； 浸油潤滑時，ZW=1.0284-0.03298vs+0.vs2噴油潤滑時，ZW=1.0111-0.01494vs+0.vs2變異系數CZS=0.03將CZN、CZS值帶入

12、（式3）得：CHlim'=（0.002+CHlim2）0.5七、 確定應力、強度的分布類型和分布參數考慮（式2），對（式1）兩邊取對數則有LnH=lnZE+0.5(lnT2+lnKA+lnKV+lnK+lnKh+lnKt+lnKw-lnq-lnm3-lnZ22)根據中心極限定理，可認為蝸桿傳動接觸應力的分布近似服從對數正態(tài)分布。其均值、變異系數分別為H=ZE(9KT2qm3Z22)0.5式中 K=KAKVKKhKtKwCH=CHM2+CZE2+0.25(CT22+CKA2+CKV2+CK2+CKh2+CKt2+CKW2)0.5 下面來討論各個計算參數的均值及變異系數的確定：1、 轉矩T

13、2：均值T2=9500P2/n2，P2、n2為渦輪軸功率和轉速。變異系數為 CT2=Cp22+Cn22=T2/(3T2)當載荷精確求得時，可取CT2=0.03；近似求得時，CT2=0.082、 工況系數KA：均值KA，載荷平穩(wěn)，KA=1；不平穩(wěn)稍有沖擊，KA=1.15；沖擊大，KA=1.2。變異系數CKA=（1-1/KA）/3。3、 動載系數KV：均值KV，當蝸輪圓周速度v23m/s時，KV=1；v2=36m/s時，KV=1.11.2；v2>6m/s時，KV=1.3；變異系數CKV=（1-1/KV）/3。4、 齒向載荷分布系數K：均值K,載荷穩(wěn)定易跑合，取K=1；載荷變化較大或有沖擊振動，不易跑合，K=1.11.5 。 變異系數，一般可取0.05。5、 小時載荷率系數Kh：均值Kh，可按表查取。變異系數CKh=0.02。6、 環(huán)境溫度系數Kt：均值Kt，可按表查取，變異系數CKt=0.03。7、 風扇系數Kw：均值Kw，不帶風扇時，Kw=1,帶風扇時，若n1900r/min,則Kw=0.998+6×10-5n1-1.875×10-7n12若n1900r/min,則Kw=1.206-3.95×10-4n1+6.25×10-8n12 變異系數CK=0.028、 材料彈性變異系數CZE=0.04。將上述已確定的各變異系數