（机械设计及理论专业论文）高速汽车链的疲劳可靠性试验研究.pdf

摘要 本文运用成组法和升降法对汽车发动机用滚子链0 6 b t - 1 和齿形链c l 0 4 t - 9 进行了 疲劳可靠性试验。通过对试验数据的处理，得到了两种链条疲劳可靠性寿命的分布规 律，并建立与不同可靠度相对应的疲劳寿命和载荷水平之间的关系曲线。通过对两种 方法的试验结果的比较分析，得到一种适用于汽车链的疲劳可靠性试验方法，用来指 导汽车链的可靠性试验研究，以达到节省试验时间和减少试验成本的目的。取得的主 要成果如下： 1 根据i s 0 1 5 6 5 4 2 0 0 4 ( 传动用精密滚子链条疲劳试验方法) 中规定的链传动疲 劳试验规范，利用综合试验法( 成组法和升降法) 进行高速汽车链的疲劳性能试验， 绘制疲劳寿命曲线：f 一曲线及r f 一曲线： 2 通过将本项目所采用的疲劳试验方法与现有的试验方法的结果对比分析，探讨 了综合试验方法中成组法和升降法的“谐应”关系，提出具有我国自主知识产权的实 用的高速汽车链的疲劳试验方法和可靠性评价体系： 本课题所研究的汽车链高速特性的成果不仅可用于指导汽车主机厂、发动机主机 厂进行汽车链系统可靠性设计，也可为链传动生产企业提出获取可靠性试验数据的有 效方法，为制定疲劳可靠性试验评价体系提供依据。 关键词：疲劳可靠性成组法升降法 a b s t r a c t t h em a i nw o r ko ft h i sa r t i c l ei st om a k et h ef a t i g u er e l i a b i l i t yt e s tw i t ht h er o l l e rc h a i n 0 6 b t - 1a n dt h es i l e n tc h a i nc l 0 4 t - 9b yt h em e t h o d so fg r o u pt e s ta n dt h em e t h o do f u p - d o w nt e s t t h r o u g ht h et e s td a t ab e i n gd e a lw i t h ，w ec a l lg e tt h ed i s t r i b u t i o nl a wo f f a t i g u er e l i a b i l i t yl i f e a n de s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pc u r v eb e t w e e nt h ef a t i g u el j f ea n dt h e l o a d ，a n do n ec u r v ec a nf i to n er e l i a b i t i t y t h r o u g ht h e a m a l y s i so ft h et w om e t h o d s ，a r t i c l e w ew i l lg e tan e wt e s tm e t h o d ，w i t hm o r ec o n v e n i e n t ，m o r ee f f i c i e n t t h en e wm e t h o dw i l l b eu s e dt og u i d ef u t u r er e s e a r c h ，f o rs a v i n gt i m e ，s a v i n gc o s t 。m a i nr e s u l t sa r ca sf o l l o w s ： 1 a t c o r d i n gt ot h ef a t i g u et e s tn o r m so ft h ec h a i nd r i v ei ni s 0 1 5 6 5 4 - 2 0 0 4 ( p r e c i s i o n r o l l e rc h a i nf a t i g u et e s tm e t h o df o r d r i v i n g ) w eu s eac o m p r e h e n s i v et e s tm e t h o d ( g r o u p m e t h o da n du p - d o w nm e t h o d ) t oc a r r yo u tf a t i g u et e s to f h i g h - s p e e da u t o m o t i v ec h a i na n d t od r a wf a t i g u el i f ec u r v e ：f - nc u r v e sa n dr - f nc u r v e s 2 t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h em e t h o d ，o n ei st h i sa r t i c l eh a su s e da n da n o t h e r i st h em e t h o dw h i c hh a sb e e ne x i s t e d t h i sa r t i c l eh a sd i s c u s s e dt h e “c t o s sm o d e r e l a t i o n s o ft h eg r o u pm e t h o da n dt h eu pd o w nm e t h o di nt h ec o m p r e h e n s i v et e s tm e t h o d a n dp u t f o r w a r dt h e f a t i g u e t e s tm e t h o d sa n d r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o ns y s t e mw i t hc h i n ao w n i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h i ss t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - s p e e dc h a i nr e s u l t si nt h es u b j e c tn o to n l yc a n b eu s e dt og u i d ec a rf a c t o r y ，e n g i n ef a c t o r yf o ra u t o m o t i v ec h a i ns y s t e mr e l i a b i l i t yd e s i g n ， b u ta l s oc a n p u tf o r w a r da ne f f e c t i v ew a yt og e tt h er e l i a b i l i t yt e s td a t a ，a sw e l la st oi m p r o v e v e h i c l ep e r f o r m a n c ea n dm o r ec h a i nw e a rr e s i s t a n c eo ft h ee f f e c t i v em e a s u r e sf o rt h ec h a i n p r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：f a t i g u er e l i a b i l i t yt e s t ，g r o u pm e t h o d e ，u p d o w nm e t h o d 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文高速汽车链的疲劳可靠性试验研 究，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：疑昭丝翌望年望月4 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：独谧坠埏丞缉年巫月盟日 指导导师签名： 年互月等日 第一章概述 1 1 项目的意义以殛国内外研究现状 链条是一种应用极为广泛的机械基础件它广泛用于各种主机产品( 如汽车，摩 托车、农机、矿机、石油钻机、轻纺机械、化工机械、工程机械、冶金机械以及运输 机械等) 上，链传动中以套筒滚子链应用最广，此外还有外啮合齿形链、内啮合齿形 链、h y v o 齿形链等“0 1 。 加入w t o 之后，我国的汽车行业得到了迅速发展目前汽车总产量已跃居世界第 四位。但是出于我国的工业起步较晚，汽车行业的状况与西方一些发达国家相比还是 比较落后。一直以来都没有形成具有竞争力的质量上乘的自主品牌汽车，同时国内的 汽车相关的发动机生产厂、零部件生产厂等，都以外资生产企业居多。在汽车零部件 行业，关键产品的核心技术和配套市场被外资企业掌握着。我国自主的汽车品牌多数 都是以价格低而取得市场但是拼价格的时代很快就会过去，要想有自己的品牌，想 在激烈的市场竞争中立于不败之地，研究具有我国自主知识产权的汽车零部件系统设 计与制造技术，提高我国在该领域内的自主创新能力，具有重要的战略意义。 近年来，新型汽车发动机越柬越广泛地应用了f 时链、机油泵链、平衡轴链( 简 称“汽车链”) ，见图1 1 。汽车链( 节距p = 70 、80 、95 2 5 m m 等) 的主动链轮转速 高达j0 0 0 r m lr l 以上，有的甚至超过了1 00 0 0 r m i n ，已远超出相同型号的普通滚子 链由链传动功率曲线所限定的极限转速，其传动功率也远大于相同型号的普通滚子链。 同时，汽车发动机正时配气系统对f 时链的磨损性能也有着很高的要求，其2 0 00 0 0 k m 允许的磨损伸长率仅为f t 蜥。“。而普通滚子链的允许磨损忡长率则为t 揣。 图11 采刚汽1 。链的汽1 j 发动机结构幽例 汽车链的高速工作特点及其性能指标已跨越了常规意义下的链传动研究领域。同 时，汽车链的高速多冲、速度与载荷交变以及强耐磨性等要求也构成了行业内的一大 技术难点和创新点h 1 。因而汽车链的失效机理及其设计理论已经发生了根本的变化，开 拓了机械设计与机械传动学科的一个新的前沿研究领域。但由于国产滚子链的高速性 能与主机产品的要求存在较大差距，因而众多主机厂( 如：上海大众、一汽大众、上 海通用、广州本田等) 的发动机j 下时链均采用进口产品。现有的常规技术已无法满足 汽车链开发的需求，从而形成了本学科新的前沿研究领域，也是国内链条制造业亟待 解决和汽车主机厂极为关注的关键技术。 随着机械产品竞争的同益激烈，可靠性指标已经成为评定机械产品质量的三大重 要指标之一，作为重要机械基础件的链条产品，其可靠性水平的高低直接影响到配套 主机产品的工作性能的发挥。质量监督抽查中发现，我国的链条产品还存在着一些质 量不稳定因素，同一规格的产品在正常使用中的寿命离散度大，且与可靠性考核指标 的要求还有一定差距。试验与跟踪调查还发现，国产的链条产品与国外工业发达国家 的产品的可靠度水平也存在着相当大的差距。因此，尽快建立我国链条产品( 包括零 件和原材料) 的可靠性数据库，提出实用的链条产品的可靠性设计方法已迫在眉睫。 国内曾开展了普通滚子链疲劳寿命分布规律的研究，其研究主体为普通工业链条，如 0 8 b 一1 、1 2 a 一1 、1 6 a - 1 、2 4 a 一1 等嫡1 。国内以往的主要研究成果1 为：1 在高应力水平 下，滚子链疲劳寿命服从两参数的威布尔分布。对于同一系列滚子链，其形状参数随 节距增大而减小，随载荷提高而增大，而常用的不同链板材料，其形状参数没有多大 变化，形状参数这一变化规律为滚子链的疲劳可靠性验证提供了重要依据；2 形状参 数卢值的确定对于可靠性检验至关重要，值不同，其试验截止时问有明显差异；3 国 内现行的滚子链疲劳试验方法( 门= 3 ，a = o ，9 = 5 x1 0 6 ) ，只相当于。= 5 1 0 6 的可 靠寿命检验，不利于促进滚子链产品可靠性水平的提高。由于汽车链产品在结构设计、 选材及热处理方面与普通滚子链有较大差异，上述研究成果虽然具有重要的学术价值， 但对于汽车链产品并不完全适用。因此，研究和提出用于高速汽车链的可靠性评价指 标就具有特殊意义。目自i ，对于高速汽车链的可靠性评定方面的研究，国内尚属空白， 国外也未发现相关报导。本课题所研究的汽车链疲劳性能的成果不仅可用于指导汽车 主机厂、发动机主机厂进行汽车链系统可靠性设计，也可为链传动生产企业提出获取 可靠性试验数据的有效方法，以及提高汽车链磨损性能和多冲抗力的有效措施，并为 提高国产汽车链产品的质量、延长其使用寿命、制定疲劳可靠性试验评价体系提供依 据。 随着汽车工业的不断发展，我国汽车工业已经走上了丌发、创新阶段。作为汽车 重要传动元件之二的正时链，无论是在与主机配套，还是在维修方面，对产品的质量 和性能的要求都越来越高。同时，随着汽车新产品的不断涌现，对i f 时链的品种、规 格要求也越来越多。为加速我困链条产品的全面发展，适应市场经济和国际经济大循 环的需要，我国的链条行业必须做好与围际接轨的种种技术努力，全面贯彻实施链条 2 的系列标准，尽快取得产品质量认证和质量体系认证，进一步提高我国链条产品的设 计、制造、检验的质量水平，努力开创我国的链条名牌产品，积极开拓市场，时刻跟 踪国外链条技术的最新动向，真正形成在国际市场上具有较强竞争力的链条产业的优 势。 目前，国产滚子链的常规性能和中低速性能基本上接近于国外滚子链的性能水平 口1 ，但对高速下运转的滚子链，国内尚未开展这方面的研究工作，国外也只有美、英、 法、德、日等能够生产中高速汽车链，但未见文献报道其研究成果。而更高转速、更 小节距的新型汽车链国内外均有待于研究与开发。所以，研究具有本土化的高速汽车 链关键设计与制造技术是至关重要的。研究汽车链的疲劳与高速性能，为国产汽车发 动机设计提供切实可行的技术支撑是一项十分重要的研究工作，同时，也能拉动整个 行业的技术进步呻h 引。 我国出台的“十一五 汽车产业规划纲要精神就是为鼓励国内的企业、高等院校 与科研院所发挥自己的优势，以整车制造业的快速发展，带动汽车零部件产业，同时， 零部件行业的自身发展也为整车企业的扩张提供强有力的支撑。因此研究零部件的发 展，完善汽车链传动系统设计理论与方法，对促进我国汽车工业的发展有着十分重要 的意义。 1 2 主要研究内容和技术路线 1 2 1 论文研究的主要内容 对于汽车链，至今尚无专用的i s o 标准，国内也没有制订这方面的国家标准或行 业标准，而是代用了标准滚子链、标准套简链和标准齿形链以及非标准链的链号n 训。 目前，用于汽车上的链条，根据不同的汽车型号，按照链条节距，可分为6 3 5 、7 0 、 7 6 2 、8 0 、9 5 2 5 、1 2 7i i i m $ 按照链条结构型式，可分为套筒链、滚子链和齿形链等； 按照链条的排数，可分为单排链和双排链；按照标准符合性，可分为标准链和非标准 链。其链号主要有：滚子链0 5 e 一1 、0 5 b t - 1 、0 5 b t - 2 、0 6 b - 1 、0 6 b - 2 、0 6 b n - 1 、0 6 e - 1 等，套简链0 6 c - 1 、0 6 c - 2 等，齿形链c l 0 4 h 、s c 0 4 、c l 0 6 等h 2 3 。常用的汽车链产品 系列如表卜1 所示。汽车用f 时链、机油泵链、驱动链和平衡链的基本结构与标准短 节距精密滚子链相同，也由销轴、套简、外链板、内链板以及滚子组成。汽车滚子链 的结构如图1 2 所示，其基本尺寸参见表1 - 2 。齿形链的结构如图1 3 所示，基本尺寸 参数见表卜3 。 本课题所研究的内容就是汽车链高速特性下的疲劳可靠性试验研究，其主要内容 包括： 1 对滚子链0 6 b t - 1 和齿形链c l 0 4 t 一9 进行疲劳可靠性试验，通过对试验数据的对 比分析找到新的试验方法，从而达到节省试验时间，节省试验成本，并获得准确的试 验结果的目的； 2 研究不同结构型式汽车链( 以0 6 b t 一1 滚子链和c l 0 4 t - 9 齿形链为例) 的疲劳性 3 能试验，探讨适用于高速汽车链的切实可行的可靠性评定指标。 表卜1 常用的汽车链产品系列 链条型式链条型号节距p ( m m )最小抗拉强度f 。( k n )备注 0 4 c t7 0 07 0 0 0 5 c t8 0 0 8 o o 套筒链 0 6 c t9 5 2 51 2 5 0 0 6 c t - 29 5 2 51 9 0 0 双排链 0 5 b t8 0 0 4 5 0 0 5 e8 0 07 8 0 0 6 e9 5 2 59 0 0 滚子链 0 6 b n9 5 2 59 0 0 窄型链 0 6 b t9 5 2 59 0 0 0 6 b t - 29 5 2 51 6 9 0 双排链 c l 0 4 t - 96 3 59 5 04x5 片 s c 3 87 6 21 4 0 04x4 片 齿形链 c 2 58 0 0 1 6 0 04x4 片 c 39 5 2 52 5 0 07x8 片 表1 2 汽车滚子链的各部分名称及尺寸参数单位：m m 表卜3 汽下齿形链的各部分名称及尺寸参数单何：m m 4 图1 2 汽车滚子链的结构图 一习f 与k 崩f 与bf 由f 与 历：i x h ,l ll ii l i ii j 、立i ii il ll lih i ii v ，f习il l l lll ：l 【、 1l li i l li i i ( t i lj 7 一lj il l i i ! i ： i 、： 、 i li i i il li v ，f ， q l f li i iii li o 一| 、j 、 ? x i ii l i ii 匕 l ii i kk_k kk_训k 幽1 3 齿形链的结构图 5 1 2 2 主要研究路线 1 根据i s 0 1 5 6 5 4 2 0 0 4 ( 传动用精密滚子链条疲劳试验方法) 中规定的链传动疲 劳试验规范，利用新型综合试验法( 成组法和升降法的“谐应 组合) 进行高速汽车 链的疲劳性能试验，绘制疲劳寿命曲线：f 一曲线及尺一f 一曲线； 2 通过将本项目所采用的疲劳试验方法与现有的试验方法的结果对比分析，探讨 综合试验方法中成组法和升降法的“谐应关系，提出实用的高速汽车链的疲劳试验 方法； 3 综合试验数据分析结果确定可靠性评定指标体系。 1 3 本章小结 本章叙述了课题研究的背景及意义，阐述了汽车链的研究现状以及汽车发动机链 传动系统对于我国汽车行业发展的意义，并展望了汽车链传动的技术发展趋势，明确 了本文的主要研究内容与技术路线以及本文研究的主要目的。 6 第二章汽车链的疲劳可靠性试验方法研究 2 1 引言 可靠性试验是指为分析评价产品的可靠性而进行的所有试验。广义地讲，任何与 产品故障或与故障效应有关的试验都可以被认为是可靠性试验。在新产品的丌发过程 中，要经过调试、发现问题、改进、再调试，这样的过程。如此反复，直至该产品能 够满足设计要求。这个过程实际上也是一种可靠性试验过程。因此，在整个产品调试 过程中的数据就显得非常重要了n 3 1 。事实上，对这些数据进行详细地分析与综合，可 对该产品在该阶段的可靠性水平作出定量评价，从而判断该产品是否达到或满足设计。 可靠性试验可分为工程试验和统计试验两大类n 驯，工程试验的目的在于暴露产品 的可靠性缺陷，并采取纠正措施加以排除( 或使其出现率低于许可水平) 。这种试验由 承制方进行，以研制样机为受试产品，包括环境应力筛选试验及可靠性增长试验。环 境应力筛选是施加环境应力到产品，以发现和排除不良零件、元器件、工艺缺陷等潜 在缺陷为目的试验方法。可靠性增长试验是为了暴露产品的可靠性薄弱环节，并证明 改进措施能防止可靠性薄弱环节再现而进行的一系列可靠性试验方法。 到目前为止，电子产品的可靠性试验已经有了一套完整的理论和试验方法n 钔，但 机械产品相对于电子产品在可靠性方面还处在比较落后的状态，还有待于进一步开发。 机械产品可靠性试验有着自己的特点也可以说是难点，主要表现在下面几个方面 f 1 6 1 一般对于机械产品的可靠性试验来说，很难得到较大子样容量，并且费资、费 力，备件费用大，试验周期长； 2 机械失效机制的多样性和对“环境因素的依赖性，机械系统中决定机械寿命 和性能劣化的因素，不仅与应力因素有关，还取决于环境因素。同时对于机械产品的 外场环境与试验环境相比更为复杂、更为恶劣； 3 机械可靠性理论难度大，大多数电子产品故障多属随机性、寿命服从指数分布； 而机械产品的零部件大多是耗损性失效为主，现已颁发的一些可靠性设计、试验和分 析方法或标准，是根据电子产品失效制定的，这些方法或标准对机械类产品不完全适 宜： 4 机械零部件一般都是为特定用途设计，通用性不强，不易积累共用数据。所以 缺少数据导致非电产品的可靠性评估遇到困难； 5 由于没有标准的可靠性筛选试验，机械产品的早期故障不能像电子产品经过环 境应力筛选试验排除，这增加了可靠性增长模型描述的困难n 7 | 。 针对现在机械产品可靠性存在的u 】题，研究适合于机械产品的可行性试验方法， 节约试验时间，减少试验成本，具有非常重要的意义。 7 2 2 可靠性设计中的常用函数 链条产品的失效形式主要是疲劳破坏，因此疲劳性能是考核链条产品质量的关键 指标，其试验数据是否科学准确直接影响其产品质量的评定。如果应用了不准确的试 验数据对产品质量进行评定必然产生误判。因此必须研究总结出一套科学实用的试验 方法，以便在链条行业中统一试验规范，使试验数据更科学、准确、可靠引。 在实验过程中我们会对实验数据进行处理，来寻求可靠性的指标，试验数据处理 方法的选择是很重要的，在处理实验数据时，会用到很多函数。 概率分布是概率密度函数，俐和累积分布函数尸例的统称，它们能很好地描述随 机变量的性质。在工程中往往不清楚分布属于哪一种类型，所以通常的作法是先讨论 几种常用的重要分布性质及其主要参数，然后找出经抽样试验后获得的分布与哪一种 常用分布曲线拟合得最好，从而确定其分布及参数，并在此基础上计算可靠度等参数。 在可靠性工程中，连续型随机变量常用的分布有指数分布、正态分布、对数j 下态分布 和威布尔分布等引。 2 2 1 可靠度函数 设有台相同的设备，在相同的条件下工作，到任_ 给定的工作时间t ( 寿命) 时， 如发生失效的设备数目为j r 7 俐，则存活的设备数目为帅俐。以f 俐表示在寿命t 时设备发生失效的概率，斤俐表示在寿命芒时设备存活的概率，则： 耶) t 警 r o ) _ n - r n ( t ) - 1 - f ( f ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 在可靠性设计中，斤代表可靠度，一般厅的数值随时间t 而改变，即席为时间t 的函数。所以，式( 2 2 ) 表示可靠度为时间函数的一般表达式。 下面推导可靠度函数厅俐的方程式。因为经时间t 后存活的设备数目为n - n ( t ) ， 令a 为再延长极短时间出后，在存活的设备中产生失效数目的比值，a 也是时问的函 数。考虑在时间以后设备产生失效，有下面的关系成立： i n n ( t ) z ( t ) d t 一陋( f ) 一尺( f + 出) ( 2 3 ) 当取设备数目足够多时，厅俐可以作为连续函数处理。令尺( f ) 。为厅俐的导数，有： 尺( f ) 一r ( t + d t ) 一- r ( t ) d t ( 2 4 ) 由式( 2 2 ) 有： 一n ( t ) = r ( t ) n ( 2 5 ) 将( 2 4 ) 式和( 2 5 ) 式代入( 2 3 ) 式，得： 川；一型。盟 ( 2 6 ) 、7 尺o )1 一，( f ) 因：，筹d t f f i l nr 8 解式( 2 6 ) 有：r ( f ) e _ o 砷 ( 2 7 ) 式中a p ) 为瞬时失效率或失效率。式( 2 7 ) 为可靠度函数厅俐的一般表达式。 对式( 2 2 ) 取时间芒的导数，得失效概率密度函数厂俐为： 川- 掣一一警 汜8 ， 2 2 2 指数分布 许多元件特别是电子元件，在工作时间内，可能由于偶然的影响因素而失效。这 些元件的早期失效，通过设计、制造、检查或运行时间足够长而得到消除。由于耗损 失效期尚未到来，进入偶然失效期，此时失效率接近于某一稳定的常值，即a ( 幻等于 常数九。在这种情况下，可靠性函数的一般表达式为： 累积失效概率以幻为：尺幻= 1 一e 岫 ( 2 9 ) 失效密度函数，( 幻为：“力= a e 功 ( 2 1 0 ) “幻为指数分布密度函数。 2 2 3 正态分布 1 正念分布的可靠度 正态分布的概率密度函数为： 厂o ) 一百1 一e 咖2 ( 2 11 ) 在时间的破坏概率以尺幻表示： f o 吐蔚1 七郴一出 ( 2 1 2 ) 可靠度r ( t ) i l f ( t ) 为： 阶f y 。1 撕口2 。 ( 2 1 3 ) 失效率为： 1 三一e - ( f 一一尸2 0 2 抛卜焉2 毒瓦 1 4 ) j 。4 2 u o 根据诈态分布理论可知，标准正态偏量_ ，与可靠度厅之间存在着一一对应的关系， 基于这一理论基础可以制作“正念概率坐标纸”，由于j 下念分布的试验数据在f 念概 率纸上是位于某一直线上，所以常用j 下念概率坐标纸的这性质，来判断抽样的母体 是否符合f 态分布。 9 2 对数f 态分布 用一组试样在给定应力下所做的疲劳寿命试验中，所得的寿命数据不符合正态分 布。如将这些寿命( 到达破坏的循环数朋) 与其相应的可靠度厅在正态概率坐标纸上 描点，发现这些点并不在一条直线上，说明它不符合正态分布，但如将寿命取对数后 得l g m ，再把l g m 与其对应的可靠度斤在正态概率纸上描点，可以发现这些点能做出 一条回归直线，我们说疲劳寿命服从对数j 下态分布。因此，凡是随机变量e ，的对数l g e ， 服从正态分布，就把它叫做服从对数j 下态分布的随机变量。 对数正态分布的密度函数为： ，o ) 丽l g e e 船p 附( ( 2 1 5 ) 这里l g e = o 4 3 4 3 ；在时间t 的破坏概率7 ( 幻为： ，( f ) i 上赢l g e 。0 妒肌2 d x o ) ( 2 1 6 ) 或写成标准正态分布形式： 工2 川l 去e - - f d x ( 2 - 1 7 ) 式中肛尸一( 1 扩 可靠度月( 幻为： 。1 一 即) _ 正，寺2 d x “q 1 8 失效率函数 ( t ) 为： ! 曼! p 一( 1 i r 伽2 a o ) 。尘婴l 一丁( 舢) ( 2 1 9 ) r _ 兰e 2d x p - 4 2 = 2 2 4 威布尔分布 1 威布尔分布函数 该分柿是由最弱环节模型得到的。即如果链条中有一最弱的环节断丌，即可视为 发生了“故障”，所以这种结构是典型的串联式模型。对于疲劳破坏的零部件，可以 假设零部件的材料内部分布着各种缺陷，每个缺陷都具有不同程度的危险点，每个缺 陷都可视为一个链节，其中最弱的链节破坏，就使零部件发生疲劳破坏。所以疲劳寿 命试验是典型的最弱环节模型，并符合威布尔分布。 f ( f ) ；1 一e 一( 等) 4 ，苫。( 2 2 。) 在疲劳强度试验中，威布尔分御函数中的时问t 用疲劳寿命( 循环数) 代替。这 时威布尔分布的破坏概率函数厂为： 1 0 ，( ) 。1 一p i i n - 一n o 。j 4 戌 ( 2 2 1 ) 威布尔分布的概率密度函数，( ) 写成下面的形式： 删，。志( 糟r 俐 n 1 时，a ( 幻为递增函数； 当f l = 1 时a ( f ) 一二一常数，成为指数分布； 当夕 1 时，a ( 幻为递减函数； 当夕= 3 5 7 时，威布尔分布近似于正态分布。 ( 2 ) 尺度参数( 又称尺寸参数) ，7 ( 或岛) ： 其中r l f 。，尺度参数对概率密度函数曲线的影响， 变，即将曲线在芒轴和“t ) 轴上的尺度放大及缩小。 ( 3 ) 位置参数 ，： 当，= 0 时： y - 厂。，一吾( 寺) 卢p 一( 厂，2 。 如果y 一0 ，令ttf + ，y y ，贝0 ： ) ，一厂。+ y ，= 等( 杀) 声一p 一( ) 4 r 。 只是把横轴和纵轴的刻度改 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 比较( 2 2 3 ) 式及( 2 2 4 ) 式，可见两式的形式相同，所不同的仅是坐标有变化， 横轴原来是t 的坐标，现在是t7 的坐标，即当) ，= 0 时，概率密度函数曲线由) ，= 0 的位 置，向右平行移动) ，的距离，但y 轴的坐标刻度没有变化。 3 威布尔概率坐标纸 威仃尔概率坐标纸与正态概率坐标纸的性质一样， 的。若，= 0 ，有： f ( f ) = 1 一p 一( ，r o 尸y 芒 50 0 0r m i n ) ，链条会出现早期失效。石 油钻机的传动系统，柴油汽车链条属于典型的高速工作链条，其滚子链的早期失效表 现为滚子的破碎、套筒与销轴之间的胶合口门叫驯。因此，提高链条高速工作状态下的使 用性能是十分必要的，这将有助于国产链条质量和可靠性的提高，为了达到这个目的 必须借助试验的手段来完成，但目前高速汽车链的疲劳可靠性试验在国内还没有形成 一个完善的体系，这也是本文研究的重点。 3 1 滚子链的初始数据 1 试验对象：发动机机油泵滚子链0 6 b t - 1 ，滚子冷挤而成，节距p = 9 5 2 5 m m 。 2 链条材料和热处理工艺见表3 - 1 。 表3 一l0 6 b t 一1 链条零什的材料和热处理i ：艺 项目 链板销轴套简滚子 力雾 材料5 0 c r v a 3 8 c r m o a12 0 c r ni m o4 2 c r m o 整体淬火+ 热处理方式等温淬火c - n 共渗c - n 共渗 回火 下贝氏体+ 回 表面：回火针状马氏 回火屈氏体 火马氏体+ 细 回火屈氏体+ 残 体+ 残余奥氏体 组织余奥氏体( 1 0 )+ 少量碳化 粒状状碳化 ( 1 0 ) 物 + 少量碳化物 物 心部：回火马氏体 硬度 h r c4 8 5 3 芑h v o 1 8 5 0 - 9 5 0 2h v m l 7 0 02 i v 。，5 0 0 7 1 8 、7 2 1 、7 2 7 、8 3 8 、 7 0 8 ( 经5 0 0 小时全 备注 速全负荷试验后测 试) 3 初始数据测量 ( 1 ) 链长 所测链长为在测量载倚下链段两端滚子同侧母线f n j 的距离。( 未预拉处理，加测试 载荷8 0 n ) 初始链长如表3 2 所示。 1 8 表3 - 2 0 6 b t 一1 链条初始链k ( 2 ) 中心距测量 测量仪器：l z c 一6 0 0 型传动链中心距测量仪( 采用两个同样的光轮测量，光轮直径 为链轮分度圆直径) ，链长：4 2 节，中心距：1 0 7 1 0 m m 。 ( 3 ) 破断载荷厄( 极限抗拉载荷) 测试仪器为：液压式万能试验台，测量结果如表3 - 3 所示。 表3 - 30 6 b t 一1 链条破断载荷单位：k n ( 4 ) 链节联结牢固度 松动扭矩如表3 - 4 所示 表3 40 6 b t 一1 松动扭矩单位：n m 套筒压出力( 内链节套简) 如表3 5 所示 表3 - 50 6 b t 一1 套筒乐出力单位：k n 注：测量的链节联结牢 i i l 度何的为甲链板有的为双链板，甲链板的标准为：4 4 0 n ( 内链节) ，2 6 0 0 n ( 外链 节) 主机j 提供的数据标准。 3 2 滚子链的疲劳试验 被试链条：随机抽取经生产线正常工装，测量链长符合规范后，经( 1 3 2 3 ) f 预 拉跑合处理，完全符合样品要求。 1 9 试验规范： 1 0 6 b t 一1 样链7 个链节为一个链段，两端为内链节，共计5 0 段 2 疲劳试验前经( 1 3 2 3 ) 丘预拉强化处理，时自j3 0 6 0 s ； 3 试验设备：p l g2 0 b 型高频拉压疲劳试验机，见图3 1 所示。 幽31 p l b 一2 0 8 疲劳试验机 试验指标：f o 一2 0 k n 静载荷 f o - 1 0 t 动载荷 频率范围：8 0 2 5 0 h z ，循环特性：r = o 1 02 。疲劳试验载荷循环图如图32 所 示，。采用实测破断载荷的最小值的9 6 ，即1 0 k n ，而标准规定为凡。- 8 9 k n ，企 业标准9 k n ，但有部分主机厂要求为1 0 k n 。故本次疲劳试验采用1 0 k n 。 馥 ；x h 0 削j2 披* 试验载甜循环嘲 试验时，火火能够传递轴向载倘给试样而不肘试样，。牛附戟衙，刖j 传动链疲 劳试验的峡头j 世酴是仃向型的，j c 媳型结构如同33 所i 。 图3 3 试验台夹头结构形式 3 2 1 成组试验法 由于疲劳寿命的分散度较大，按常规的试验方法，在每个应力水平只试验一个试 件所测定的p w 曲线精度较差，因此仅供疲劳设计上的参数估计或者大致估计一下材 料的疲劳性能，作为一些比较复杂疲劳试验的预备试验，如果希望得到精确的p w 曲 线最好在每个应力下使用一组试验来进行试验。在每个应力水平下具体应该选择多少 个试件根据具体情况来确定。 3 2 1 1 试验数据报告 表3 6 是滚子链0 6 b t 一1 成组试验规范表3 - 7 、3 - 8 、3 - 9 、3 1 0 、3 - 1l 、3 1 2 分别 是在各应力水平下所测得的试验结果。根据这些数据可以得到汽车链的疲劳可靠性试 验的肛卜a ，曲线，对其进行分析即可得到高速汽车链的疲劳可靠性性能指标，和提高 链条疲劳可靠性效率的可行性方法。 表3 - 6 滚子链0 6 b t i 成组试验规范 2 1 表3 7 加载人小只。0 2 2 e 一2 2 k n 表3 1 0 加载大小k 。一0 3 f 。13 眦 3 2 1 2 寿命分布规律分析 对滚子链0 6 b t 一1 分别在0 2 2 尼、0 2 5 冗、0 2 8 e 、0 3 0 尼、0 3 3 e 、0 3 5 厄载荷水 平下用成组法试验得到的数掘进行寿命分布规律分析，其疲劳断裂零件为内链板，由 试验数据在威布尔概率纸上进行威柿尔拟和检验，并对其进行威布尔分布、j 下态分布 和对数i f 念分布的符合度检验。卜。州，结果表明，在所进行的高应力试验条件下，滚子 链0 6 b t - 1 服从威布尔分布。 3 2 1 3 运用综合试验方法对试验数据进行分析 对所有实验数据运用综合试验方法进行数据分析并绘制肛卜曲线。在仃限寿命 试验部分采用综合数据处理方法用对数坐标表示疲劳寿命，用线性坐标表示所有施加 的载荷。p w 曲线的对数疲劳寿命的标准方差和载荷的标准方差由公式( 3 1 ) 一( 3 8 ) 确定。 1 有限寿命范围内严的回归公式 g & + 陋 ( 3 1 ) 式中：占- i 一4 n 一藏 ( 3 2 ) 卢一 ( 瓦一丘) ( 州一l g n ) ， 善( 瓦一丘) 2 一g t z g n 一上l 一 ( 3 4 ) 刀， 善 f l ( 3 5 ) 咒， 式中：力广叫验的次数，对数疲劳寿命标准方差的估计值，如公式( 3 6 ) 所示 仃l g ( 3 6 ) 2 升降法试验部分试验分析公式 载荷标准方差的估计值是： 小街 7 ) e l ( 3 8 ) 式中：门广试验的次数。 3 肛p w 曲线回归公式 存活率r ：5 0 时的肛刚曲线称为平均厅十叫曲线，在有限寿命范围内用公式( 3 1 ) 确定，在升降法区域内的持久限的厅俐曲线由公式( 3 8 ) 来确定。 使用1 4 p w 方法采集到的试验数据，在有限寿命范阐内存活率r = 9 0 的肛p a ，曲线 由公式( 3 9 ) 确定，在升降法试验区域内的存活率r = 9 0 的厅州曲线由公式( 3 1 0 ) ， 式中q = 1 2 8 。 使用2 4 刚方法采集到的试验数据，在有限寿命范闻内存活率r = 9 5 的斤一严、j 曲线 由公式( 3 9 ) 确定在升降法试验区域内的存活率r = 9 5 的曲线由公式( 3 1 0 ) ， l 晷n a p f t q a l 磷 口一 = 二黧渐晰脚删删徽，其中 根据删公式对以上各个应力f 印厩殂搭哪”。 算结果如下： ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) q 、芦的计 当可靠度为5 0 时： n 。：e x p l o ( 7 1 5 6 5 ) = 1 4 3 3 91 2 5 f = 2 2 k ni 耐l g n = l o 1 8 8 7 - 1 3 7 8 2 x 2 - 2 = 7 1 5 6 5 一, 篙= 赫4 3 妒躅4 似 f = 2 5 k n 时乙斟。l 。1 8 8 7 - 1 3 7 8 2 x 2 - 5 = 6 7 4 3 0 , 1 三：三e ：p 1 。c 6 3 2 9 6 ，= 2 1 3 58 。2 嘞础n 时l g n = i o 1 8 8 7 _ 1 3 7 8 2 x 2 8 = 6 - 3 2 9 6 = 眠懈咖2 螂 产3 。州l g n = i o 1 8 8 7 - 1 3 q 7 7 8 r 2 9 3 3 0 护= 6 5 0 4 5 6 3 。9 4 , ，三二：1 。c 5 v 4 v 6 v 。v 4 ，= 4 3 6 9 4 4 闻涨n 时- l g n = 1 0 1 8 8 7 l - 1 罴曩嚣磊赫瑚4 8 冲3 7 6 埔 f ：3 5 k n 时l g n ：1 0 1 8 8 7 1 3 7 8 2 x 3 5 ：b 川鸭。 将上述试验数据绘制出曲线见图3 4 。 一一一一一一一 幽一3 j 亩毫度为5 0 时的删曲线 可靠度为9 0 时： 。， ：6 7 2 8 9 ，n ：产e x p l b ( 6 6 0 8 7 ) = 53 7 72 8928x0 f ：2 2 k n 时l g n = 7 1 5 6 5 一1 3 3 4 乏6 。7 2 8 9 n 2 2 。c y 2 5 i1叫 ( 嘞删妒7 4 3 0 r - 1 ：篡篓= 竺罴等9 闻删删氓3 2 盱1 黧嚣篙n n 2 。o ：e x p p l o ( 5 嘶炉4 2 2 卿 闻掣l g n = 6 0 5 3 9 - 1 烹篓6 2 6 3 , 产e x p z 。v ( 5 0 9 2 6 ) 娟3 2 4 8 闻一3 k ni 对l g n = 5 4 6 0 4 i - 12 8 竺= 舢2 1 2 8 2 , ，篙e x p 邮x v k 。- 8 1 6 9 ) 誓6 嘲2 8 f ：3 5 k n 时l g n = 5 3 6 4 8 1 0 3 3 4 2 4 9 3 。z n 3 。5 “ 竺黧嚣t 1 5 6 5 - i 堋6 4 0 3 3 洚4 = 6 6 6 惭0 8 7 2 ，n , 川2 = e x 邮p 1 0 ( 6 惭6 0 8 妒7 ) = 堋4 0 6 7 1 锄5 2 2 f = 2 5 k n 时l g n = 6 7 4 3 。一l 6 4 x 。3 3 4 2 6 1 9 5 z 乏：f c e x 。p l o ( 5 7 8 1 7 ，= 6 。4 9 6 。 f = 2 8 k n 时l g n = 6 _ 3 2 9 6 _ 1 6 4 0 3 3 4 = 5 - 7 8 1 7 ：一、n ，盂5 。6 t ，= 3 2 。6 8 f = 3 。州时l g n = 6 0 5 3 9 - t 6 4 o 3 3 4 = 5 5 0 6 1 , i j ! 产e e x x p p i 。v 。, , c 0 5 0 9 2 6 ) ：2 3 7 6 3 f = 3 3 k n 时l g n = 5 4 6 0 4 。- 1 ，6 4 。y o 。 3 3