齿轮轴的可靠性设计分析.docx

齿轮轴的可靠性设计分析刘明保曹秋霞( 河南机电高等专科学校 , 河南 新乡 453002)摘要可靠性设计已广泛应用于机械零件的设计中 。本文介绍了齿轮轴的可靠性设计计算方法 ,分析了可靠性设计与常规设计之间的差异 。论证了可靠性设计的必要性及经济意义 。关键词齿轮轴可靠性设计必要性则强度小于应力的概率为1前言随着科学技术的发展 , 可靠性理论已被作为一种LP ( S L ) = P ( S - L ) 0 (1)图 1 中的阴影部分表示干涉面积 。它代表齿轮轴的失效概率值 。现考虑应力落在 dL 间隔内的概率 ,如图 2 所示 。S - S11) 2 f ( S ) =exp -(22SS1 ( L - L ) 2 1g ( L ) =exp -P ( L 0 - dL L 0 + dL ) = g ( L ) dL2L2L2242机械传动2002 年S - 1 r = 300N/ mm2- 1 r = 155N/ mm2 取强度储备度 N = 1. 25 计算失效概率P = 1 - R = 1 - 0 . 99 = 0. 01根据齿轮轴强度可靠度的定义 R = P ( S - L ) 0 , 令 t = S - L , 由于 S 和 L 均是随机变量 , 所以 t 也 是随机变量 , 并且服从正态分布 。其概率密度函数用( t) 表示 。所以2)3)1 ( t - t ) 2 1( t) =exp -(3)2tt2查正态分布表得 Z = 2. 32R计算强度的分布参数根据随机变量正态分布的运算法则t =S 2 +L 2t = S + L那么齿轮轴强度的可靠度为4)1S =S S2式中 ,1 为机械特性转化 系 数 。弯 曲 载 荷 时 , 圆 形和矩形截面的碳素钢 2 = 1 . 2 ; 各种截面的合金钢+ R = P ( S - L ) 0 = 0 ( t ) d t1 = 1. 0 ; 扭转载荷时 , 1 = 0. 6 。 t - t+ 1 12 为制造质量影响系数 。锻制 、轧制时 2 = 1 . 1 ;= 0) 2 d texp -(22tt铸件 = 1. 3 。2+ 1= 0因为 = 1. 2 360 = 392. 73N/ mm2 22+ L2S1. 1S1 ( t - (S - L ) ) 2 d t2则 S = 0. 15S = 0. 15 392. 73 = 58. 91N/ mmexp -(4)2S 2 + L 25)计算应力均值和方差 t - (S - L )S - NL若令 Z =, 则上式为ZR =S 2 +L 2 2 + 2S L2+ 1 Z S - NL - e - 2 d Z(5)R = 2. 322 -S L 2 + ( 0. 08 ) 2 2 + 2SLSL 392 . 73 - 1 . 25L = 2. 32S - L即令 ZR =, 则齿轮轴的强度可靠度计算2258 . 91 + (0. 08L )S 2 +L 2求解上述方程可得 L = 233. 6N/ mm2 ( 舍 去 另 一 2+ Z式为 R = e - d Z12根)2ZR6)当可靠度为 0. 99 时 , 齿轮轴的最小直径是S - LZR =称其为强度 、应力的耦合方程 。S 2 +L 2M2 + (T) 2d3=0. 1L在工程设计中 , 由于载荷和应力的现行计算方法具有一定的误差 , 同时考虑零件的重要程度 , 实际计算 时往往引入强度储备系数 N ( N 1) , 所以上式为22(489853. 31) + (0 . 59 302200)=0. 1 233. 63= 22 . 32 10= 30mmS - NLZR =(6)取 dS 2 +L 2min若采用常规设计 , 该齿轮轴的最小直径只要计算出强度和应力的均值和方差 , 即可用耦合方程计算出齿轮轴的可靠度 。同样也可以设计出在 规定的可靠度下轴的几何尺寸 。335 . 368P = 110dmin = A= 34. 79mm169. 64n取 dmin = 35mm用常 规 计 算 方 法 , 当 d = 35mm 时 , 安 全 系 数 为1. 11 , 小于许用安全系数 ( 常规设计时 , 许用安全系数nmin = 1. 3) , 那么只好再加大直径 。取 dmin = 38mm 时 ,安全系数为 1. 43 。计算实例3要求减速器中的齿轮轴可靠度为 0. 99 , 试设计该齿轮轴 。已知输入功率 P = 5 . 368kW , 转 速 n = 169.64r/ min , 最 大 弯 矩 为 489850. 31N mm , 最 大 转 矩 为302200Nmm , 选用 45 # 钢 , 锻制 , 调质处理 。 设计步骤如下1) 查手册可得S b = 650N/ mm2S S = 360N/ mm2结论4在常规设计中 , 齿轮轴的许用安全系数常大于1. 52 , 而设计者仍感不放心 。但是 , 用 ( 下转第 46 页) 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 46机械传动2002 年文章编号 :1004 - 2539 (2002) 04 - 0046 - 04超小型摆线针轮行星传动减速器参数确定及其绘图软件的开发关天民雷蕾( 大连铁道学院机械工程系 , 辽宁 大连 116028)摘要在对新型超小型摆线针轮行星传动减速器基本结构进行分析的基础上 ,确定了实用结构齿形参数和结构尺寸的选择方法 ,并采用先进的工程软件开发出超小型摆线传动减速器的设计绘图软件 ,该软件可根据要求生成三维和二维组装图和实用工程图 ,为生产厂家提供生产所需的全套技术文件 。关键词超小型摆线针轮行星传动参数和结构优化设计三维和二维工程图软件位置的尺寸 ;并采用 Pro/ ENGINEERING 先进的工程软件 ,二次开发出实用工程软件 ,可生成三维零件图和三 维组装图 ,以验证设计正确性 。该软件形成的超小型 摆线 针 轮 行 星 传 动 减 速 器 系 列 支 持 软 件 , 可 以 脱 离 Pro/ ENGINEERING 的运行环境 ,根据要求自动生成三维和二维零件图和组装图 ,为工厂提供出该种具有较 好应用前景新产品的全套技术文件 。1概述近几年来 ,由于中国经济的高速发展 ,人民群众的生活水平不断提高 ,人们对家电产品 、汽车附件 、办公设备 、住宅设备 、高级玩具等自动化 、智能化的要求日 趋提高 ,功率为几瓦到几十瓦的减速器应用场合越来越多 。在日本 ,住友重机械株式会社每年生产大量的超小型针摆传动减速器用于如复印机 、银幕卷动机 、窗 帘自动收放器以及高级电动玩具等场合 。可以预见 , 随着计算机技术 、网络技术的进一步发展 ,随着人口老龄化趋势对自动化 、智能化要求的加强 ,家用的超小型 减速器的应用也将会更加普遍 ,需求容量也将会大为 提高 。超小型摆线针轮行星传动减速器 ,不仅具有结 构紧凑 、传动比范围大 、寿命长 、等针摆传动的优点 ,而 且其重量轻 、振动噪声低 、价格低廉以及外表美观等特 点 ,可以把摆线减速器的使用空间拓宽到家用或商用广阔领域 。在文献 1 中 ,作者曾就这种超小型摆线针轮行星 传动减速器的基本结构形式及针齿和摆线轮的受力分 析方法进行了探讨 。本文对实用超小 型 针 摆 传 动 的 参 数 进 行 优 化 设计 ,并通过对结构采用均衡设计方法确定出结构各个2超小型摆线减速器的基本结构图 1 是一种超小型摆线减速器的结构示意图 ,和常见的摆线减速器结构相比较 ,主要针对超小型机的特点作如下改变 :a) 摆线轮由两片减少到一片 ; b) 输出 柱销从在原来的输出轴上移到摆线轮上 ,取消了柱销 套 ;柱销孔则设计在输出轴上 ,有利于整体结构的合理 布置 ;c) 针齿和针齿壳作成一体 。d) 偏心体和转臂轴图 1 一级超小型摆线减速器的结构图承作成一体 。e) 由于传动部分所占重量比例不大 ,因(上接第 42 页) 可靠性设计方法计算 , 当强度和应力的变异差分别为 0. 15 和 0. 08 时 , dmin = 30mm , 齿轮轴的 统计安全系数用下式计算参考文献1四川省机械工程学会设备维修专业委员会编写. 机械可靠性. 成都 :四川人民出版社 ,1983KC卡帕 ,LR兰伯森著. 张智铁译. 工程设计中的可靠性. 北京 :机械工业出版社 ,1984凌树森. 可靠性理论在机械工程中的应用. 江苏机械 , 1982 (7) 原第四机械工业部标准化研究所编. 可靠性试验用表. 北京 : 国防 工业出版社 , 1979胡师金 ,刘贵生. 机械可靠性设计. 郑州 :河南科技出版社 ,19881 - 1 . 65 CS S 95min2n = L 99max = 1 + 2 . 33 CL34CL 2 + CS 2 + ( ZR CL CS ) 21 + ZR= 1. 1ZR2 CL 21 -根据齿轮轴的可靠度定义 , 该安全系数是在齿轮轴的可靠度为 0. 99 时的统计安全系数 , 安全满足设计 要求 , 而且直径比常规设计起码小 8mm , 由此看来 , 可 靠性设计方法比常规设计方法更准确 , 更经济合理 。5收稿日期 :20011217收修改稿日期 :20020401作者简介 :刘明保 (1946 - ) ,男 ,河南新乡人 ,副教授 ,系主任 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 26 卷 第 4 期第六届齿轮专业委员会组成65会宣读的论文 ,引起了与会代表的密切关注 。我们期望在新一 届 齿 轮 专 业 委 员 会 的 积 极 努 力 下 ,在全国齿轮行业的同事们共同参与下 ,我国齿轮行 业的学术技术交流有新的发展 ,我国的齿轮行业技术 水平 ,有一个新的提高 。会议得到了云南 CY 集团股份有限公司机床齿轮 厂的大力支持 。会议代表向该厂表示诚挚的感谢 。委员会组成名单如下 :主 任 委 员 :副主任委员 : 秘 书 长 : 副 秘 书 长 :刘新状张廷健 杨星原 陈兵奎周彦伟虞忠顺吴晓铃王尚军委 员 :方宗德 刘 伟 何卫东 吴昌林 郑保国 郭予康王三民邓效忠 刘其勇 汪和平 陈良玉 顾 伟 黄华明王文英叶爱雪 刘 凯 汪贵林 陈 渊 顾 敏 鲁国学王学武石照耀 刘 毅 李钊刚 杨有生 韩春阳 曾 韬王 勇朱如鹏 吕泮功 李 威 杨勇波 韩振南 路梦春马春印孙 超 余忠华 李瑰贤 赵玉良 常 山中国机械工程学会机械传动分会第六届齿轮专业委员会名单中国机械工程学会机械传动分会第六届齿轮专业(上接英文摘要) Key words : Timing - beltNatural frequency Forced vibrationThe Relia bility Design Analysis of Gear ShaftLiu Mingbao , et al . (41) Abstract The reliability theory have been extensively applied in de2 sign of machine parts. In this paper , the calculational method of the reliability design of gear shaft , the difference between the reliability de2 sign and the normal design , the economic signification of reliability de2 sign are presented.Key words : Gear shaft Reliability designBasic Para meters Determining Principal and Dra wing Soft ware ofand the indexing num.The design of barrel indexing cam mechanismAxial vibrationand the CNC machining of the cam are presented in this paper.Key words : Barrel cam Design CNC3D Involute Cylindrical Gear CAD Based on PropertyWu Luji , et al . (53) Abstract Studied the method of 3D modeling for involute cylindrical gear , based on the design theory of property , this paper advanced a kind of theory of 3D modeling about the parts of gear , according to the structure property for involute cylindrical gear. Using Visual C + + 6. 0 on Solidworks 2001 , to make a program of the involute , which is diffi2cult to designed by designer.Key words : PropertyInvolute cylindrical gear CADSuper Mini - cycloid DrivesGuan Tianmin , et al . (46)Four - speed Differential MechanismQu Xiuquan , et al . (55)Abstract Based on analyses of applications and outlines of a supermini - cycloid drive , the determining principal of tooth profile parame2 ters and structure sizes is discussed , the drawing software is also pro2 grammed to get both two dimension and three dimension engineering as2 semble or machine part drawings , which can provide for producing users with complete technology documents.Key words : Super mini - cycloid drive Design of parameters and structure Software of two dimension and three dimension engineering drawingsDesign and CNC Machining of Barrel Ca m Mechanism of BarrelAbstract The four - speed differential mechanism is composed of gear mechanism and differential mechanism. With its smaller size andlighter weight , It is especially suitable to man - power car.Key words : Gear mechanismpower carDifferential mechanismMan -Automatic Return Mechanism f or the Arms of Electric BarriersYang Shanxu (59) Abstract Electric barriers are commonly used in toll stations. Some2 times vehicles are hit by the barriers accidentally. This paper presents an automatic return mechanism for the ar