基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿式联轴器设计 2) 帮助初始设计对制造和装配的需求。 3) 在设计发展阶段，增加失效模式和系统效应分析的次数。 4) 提供另一项分析信息，帮助设计验证之规划。 5) 根据对顾客需求的影响性，列出失效模式的排序，并按序改善。 6) 提供一项改善方案，可以减少矫正与追查的活动。 7) 提供 的参考数据， 协助现场解决问题， 评估设计变 和发展 进一步的设计。 2.1.2 DFMEA 实施方法 所谓硬件法是根据被测系统的功能对每个失效模式进行评价， 用表格列出各产 品，并对可能发生的失效模式及其影响进行分析，被测系统的失效影响与分系统及 系统功能有关。当被测系统可按设计图纸及其它工程设计资料明确表达时，一般采 用硬件法。该分析方法适用于从零件级开始再扩展到系统级，即自下而上进行分析， 应属于事后分析法的范畴。 表 2.1 DFMEA 表头 Table 2.1 DFMEA FORM 项 目 功 能 潜 在 失 效 模 式 潜 在 失 效 后 果 执 行 结 果 严 重 度 S 潜在 失效 原因 或机 理 发 生 度 O 现 行 控 制 探 测 度 D 风险 顺序 数 RPN 建 议 措 施 责任 及目 标完 成日 期 采 取 的 措 施 严 重 度 S 发 生 度 O 探 测 度 D R P N 上表为一典型的DFMEA 图表头,其表单说明如下： 1) 2) 3) 4) “项目功能”：填写出被分析单元或功能子系统的简单说明； “潜在失效模式”：记录可能会出现的问题点； “潜在失效后果”：列出上述问题点可能会引发的不良影响； “严重度”（S）：对上述问题点的不良影响进行评价并赋予分值（得分1～10 分），分值愈高则影响愈严重； 5) “潜在失效原因或机理”：该潜在问题点可能出现的原因或产生机理分析； 6) “发生度”（O）：上述“起因或机理”出现的频率大小（得分1～10分），分 值愈高则出现机会愈大；
15 膜片联轴器 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 7) “现行控制”：列出目前本企业对这一潜在问题点所运用的设计控制和检测控 制方法； 8) “探测度”（D）：在采用“现行控制”的方法来控制时，该潜在问题可以被检 查出来的难易程序（ 得分1～10分），得分愈高则愈难以被检出； 9) “风险顺序数”（RPN）：将上述“严重度”、“发生度”、“探测度”得分相 乘所得出的结果， 该数值愈大则这一潜在问题愈严重， 越应及时采取 “预防措施” ； 10) “建议措施” 列出对 ： “风险顺序数” 较高之潜在问题点所制定的 “预防措施” ， 以防止其发生； 11) “责任及目标完成日期”：写出实施上述“预防措施”的计划方案； 12) “措施结果”：对上述“预防措施”计划方案之实施状况的确认； 13) “纠正后的RPN”：将纠正措施实施后，经鉴定，评估的严重程度、出现频次和 探测度数值的等级数填入标准表格。
2.1.3 搅拌机鼓形齿联轴器失效模式和影响分析 DFMEA 实施 本小节将详细说明搅拌机鼓形齿联轴器的DFMEA建构过程，以及其相关的程序制 定和表格建立等。本DFMEA方法则以传统FMEA为依据,同时考虑到两个工厂近2年来该 产品的使用维修数据(见表1-1)为样本而制定,其相关步骤和工作内容详述如下: 1) 成立DFMEA项目。根据本次研究的目的，成立DFMEA项目，即采用FMEA方法讨论搅 拌机鼓形齿联轴器的故障部位、失效模式及失效原因，找出对该联轴器可靠性影 响较大的失效模式，从而采取相应的措施改进设计,提高该联轴器的使用性能以 及可靠性。 2) 成立项目执行小组。按照项目执行内容，挑选出合适的人员成立跨部门跨单位的 执行小组。其成员包括设计师,销售员,产品应用工程师,产品使用方的设备操作 人员和维修人员。 3) 实施DFMEA工作培训。以简报、PPT的形式让参与本次项目的执行小组成员能够迅 速了解DFMEA的分析方法，包含DFMEA的意义、现状、目的、功能、实施对象、效 益及其实施程序等。
16 膜片联轴器 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 4) 获得客观的数据。DFMEA的基础是列举失效模式,在进行DFMEA分析时，对分析对 象有全面而深入的了解是十分 的，否则对改善并无多大帮助。本研究所分析 的数据来自于该种搅拌机鼓形齿联轴器在两个客户工厂中三年内的工作情况以 及维修记录，并参考了以往客户的投诉以及销售员的客户反馈。 5) 建立产品可靠性关联图(也叫产品功能图)。实施FMEA 先建立可靠性关联 图，通过它可以了解设备内部系统及构成件之间的功能关系；可以清楚了解到下 一个层次一旦发生故障时，其对上一个层次所造成的影响如何；可以逐层检验系 统上所发生的故障和影响。 搅拌机用鼓形齿联轴器由动力传动功能单元与润滑单 元组成。其可靠性关联图见图2.1 搅拌机用鼓形齿联轴器轴器 动力传动单元 润滑单元 内 齿 圈 圈 外 齿 传 动 接 键 栓 螺 连 母 螺 垫 片 外 侧 法 兰 轴 动 传 嘴 油 酯 油 封 圈 密 图 2.1 搅拌机鼓形齿联轴器可靠性关联图 Figure 2.1 stirring machine gear coupling reliability relationship chart 6) 分析产品的失效模式并评价其影响。执行小组根据产品可靠性关联图（参见上图 2.1），以研讨的方式列出关联图 低层次的失效模式和影响，如果失效模式可 能发生在某种或某些条件下，应将这些条件专门列出，并将每一失效元件名称、 失效模式和影响依序填入DFMEA表中，表头组成（参见表2.2）。
17 膜片联轴器 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 表 2.2 DFMEA 表头 Table 2.2 DFMEA form 严 序 号 评定 对象 失效 模式 后 度 果 重 失效 度 原因 生 发 探 现行控 制方式 检测 度 方法 测 风险顺序数 S O D RPN 7) 分析产品失效模式的严重度。 严重度是用量化的指标来评估失效发生后所产生影 响的严重程度。 为了评估一个事件的严重程度， 好方式是评价它所带来的损失， 用价值金钱来衡量它是一个 直接 有效的方式,分类见下表2.3。 表 2.3 严重度给分表 Table 2.3 severity classification form 损失金额(元) 不超过600 600 ～ 1250（不包括1250） 1250 ～ 2500（不包括2500） 2500 ～5000（不包括5000） 5000 ～ 10000（不包括10000） 10000 ～ 14000（不包括14000） 14000 ～ 16000（不包括16000） 16000 ～ 18000（不包括18000） 18000 ～ 20000（不包括20000） 超过20,000（包括20,000） 严重度给分 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8) 分析产品失效模式的发生度。执行小组根据实际产品的故障记录，针对评定对象 的失效模式，统计失效模式的故障发生次数。再通过故障发生次数和发生度给分 表(参见表2.4)， 以决定每一失效模式的发生度分数， 并将此分数记入DFMEA表中。
18 膜片联轴器 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 表 2.4 发生度给分表 Table 2.4 OCURRENCE classification form 失效次数 1 次 2 次 3 次 4 次 5 次 6 次 7 次 8 次 9 次 超过10次（包括10次） 发生度给分 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 9) 分析产品失效模式的探测度。采用专家经验的方式，使用表2.5询问相关的技术 人员，通过综合评定得到每一个失效模式的探测度分数，并将这个分数记录于 DFMEA表中。分析表中的给分采用平均值。计算方法参见式2-2。 ∑x n i = 每一个失效模式的探测度平均给分 （2-1） 其中： xi 为第 i 位技术人员的给分， n 取7，表示共有7位技术人员参与。
19 膜片联轴器 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 表 2.5 搅拌机鼓形齿联轴器探测度询问表 Table 2.5 detection possibility questinare 产品名称：搅拌机鼓形齿联轴器 失效模式 鼓形齿内齿圈疲劳 鼓形齿外齿圈疲劳 法兰上孔拉大 润滑酯泄漏 注酯孔堵 螺母坏牙 螺栓坏牙 传动轴裂纹 垫片裂 键连接咬死 探测度给分 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10) 计算产品失效模式的风险优先级指数。 风险优先级指数即 “风险顺序数” RPN ） （ 是将上述“严重度”、“发生度”、“探测度”得分相乘所得出的结果，该数值 愈大则这一潜在问题愈严重，愈应及时采取相应的措施，从而达到提高系统 性的目的。 下面是完整的搅拌机鼓形齿联轴器设计失效模式及后果分析
20 膜片联轴器 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 序 号 项 目 内 齿 圈 外 齿 圈 法 兰 密 封 圈 油 嘴 螺 母 螺 栓 传 动 轴 垫 片 连 接 键 表 2.6 搅拌机鼓形齿联轴器设计失效模式及后果分析 Table 2.6 stirrer gear coupling DFMEA 发 严 重 生 度 度 失效模 失效 现行控制 后果 检测方法 式 原因 方式 探 测 度 风险顺序 数 RPN S 1 联轴器 内齿圈 疲劳 联轴器 外齿圈 疲劳 法兰上 孔拉大 润滑酯 泄漏 注酯孔 堵 螺母坏 牙 螺栓坏 牙 传动轴 裂纹 联轴器 失效 联轴器 失效 动力传 动不稳 联轴器 磨损加 剧 联轴器 磨损加 剧 螺母失 效 螺栓失 效 传动轴 失效 失去防 松功能 联轴器 修复失 效 10 接 触 应 力 过大 接 触 应 力 过大 配 合 间 隙 过大 配 合 间 隙 过大 油 不 干净 加 工 质 量 差 加 工 质 量 差 加 工 质 量 差 加 工 质 量 差 缺 拆 卸 油 压口 O 10 经验公式 设计控制 经验公式 设计控制 每批次抽 检一个 每批次抽 检一个 D 6 600 2 10 4 4 160 3 8 8 SPC方式 CPK>1 4 256 4 4 5 Spc方式 抽检 5 100 5 1 3 过滤 免检 3 9 6 1 2 试装 抽检 4 8 7 1 1 试装 抽检 4 4 8 5 1 探伤测试 100%检测 3 15 9 垫片裂 1 1 目测 抽检 4 4 10 键连接 咬死 10 2 选择装配 100%检测 2 40
21 膜片联轴器 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 2.1.4 搅拌机鼓形齿联轴器的改进性措施 表 2.6 表明: 搅拌机鼓形齿联轴器的内齿圈是整个系统中可靠性 差的环节, 是我们改进针对它的失效原因---接触应力过大,可以将采取如下措施降低接触应力 和提高许用接触应力: 1) 将原来的 50 齿增大到 60 齿,降低每个齿面的平均接触应力。 2) 将传动轴由实心轴改为空心轴以改善传动时联轴器的动态性能,降低使用系数。 3) 提高齿面的硬度,(以前为 40Cr, 调质 HRC35 )增大齿面的许用接触应力 4) 利用特殊油酯,改善润滑状态。 5) 采用锥套结构,方便联轴器的装配与拆卸,避免了野蛮安装和拆卸导致的齿面损 伤。 6) 将螺栓孔与螺栓的配合由大间隙改为极小的间隙配合(0.1 毫米内的直径方向间 隙), 这样避免了孔拉成椭圆造成的传动不平稳,轴位移角增大现象。 7) 指导客户在安装过程中尽量找正轴间的位置位移和角位移,并紧固螺钉。在使用 2-3 个月后,检查轴间的位置位移和角位移,如果太大,适当校正。 下面的小节中,将对这些措施予以阐述。 2.2 材料及工艺 对于鼓形齿联轴器来说,材料是关键的。 选用合理的材料可以在满足产品使用 性能时,大大减少产品的生产成本,在国外,有一部分鼓形齿联轴器企业采用预应力 钢或者是普通中碳结构钢作为鼓形齿联轴器的材料,例如 RENOLD,FENNER,FLENDER, 的 Martine 公司。 也有一部分企业采用调质合金结构钢,例如应用到轧钢机械里 的意大利 POMNI 公司。 考虑到具体的应用情况和客户的要求,以及国内加工产品,工艺和成本的实际 情况,经过对比,决定选取 42crMo。 42CrMo,Mo 在钢中一部分与 C 结合成稳定的炭化物,一部分溶入固溶体,使之强 化。同时 Mo 能显着降低临界冷却速度,提高淬透性;降低钢的回火脆性。CrMo 钢的渗 炭性能良好,仅次于 CrMoAl 渗透用钢。下面是 42CrMo 的化学成分(GB/T 3077-1999)
22 膜片联轴器 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 表 2.7 42CrMo 化学成分 Table 2.7 Chemical Component of 42CrMo 材料 成分 C Si Mn Cr Mo S P 42CrMo 0.380.45 0.170.37 0.500.80 0.901.20 0.150.25 ＜0.035 < 0.035 热处理工艺:正火温度为 860-900℃,淬火温度 840-860℃,高温回火温度为 530-670℃ 国外研究表明,渗氮齿轮的芯部硬度对于承载能力作用很大,所以需要尽可能 提高芯部硬度,当齿轮芯部硬度由 240-260HB 提高到 310-330HB 时,接触疲劳强度可 以提高 30%。但是由于我们在制作调质钢时,一般会利用插齿和滚齿作为齿轮成型的 机床,回火温度不能太低,否则机械加工会有困难, 本设计采用 620 度回火,硬度在 HB260-300,相应的材料机械性能如下表 2.8。 表 2.8 42CrMo 620℃回火后的机械性能 Table 2.8 mechanical characteristic of 42CrMo (harden and tempered on 620℃) 材料 性能 42CrMo θ b (MPa) θ S (MPa) δ (5%) ψ(%) Aku (J) 硬度 (HB) 995 865 16 59 107 292 同时, 研究表面,增加表面硬度可以提高齿轮的许用接触疲劳应力,现在国外 一般要求齿轮的表面硬度在 HV500 以上,甚至有的工件硬度达到 HV700 以上。增加表 面硬度可以采用高频表面淬火和渗氮。 高频表面淬火是 快 方便的工艺,能获得较好的回火马氏体,但是变形相对 较大,后续需要磨齿来解决这一问题。工艺要求比较高,对于批量不大的鼓形齿生产, 由于成本因素不宜采用。 对于渗氮,是 近应用比较迅速的提高工件表面硬度的热处理方式,尤其是离 子氮化处理氮化深度可以达到 0.8 毫米以上,表面可以得到比较好的单相组织,提高 表面的耐磨性,工件表面变形很小,变形量在 0.002-0.02mm 间,其硬度可以达到 HV700 以上,这是其它热处理难以达到的。
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章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 芯部硬度 HB260-300, 表面硬度 HV550, 氮化层深度不小于 0.5 毫米。 这种外面”硬”里面”软”的结构对于吸收外来的冲击载荷或交变载荷, 而表 面不受到损伤, 这种结构在轴承行业,齿轮行业也是被广泛应用的。 2.3 鼓形齿联轴器结构尺寸设计 下面是某型号玻璃熔炉搅拌机用鼓形齿的传动应用的工艺要求: 0 压力角: α = 20 标准偏离角度: θ = ± 1.5° 功率 P=7.5KW 搅拌机转速：10～100rpm 2.3.1 重要结构几何参数 大许用偏移角度: ± 3° 额定转矩:T= 4000N.M 使用温度: 20℃-140℃ 相对其它齿轮联轴器， 位移圆半径与齿廓曲率半径是鼓形齿联轴器特有的重要 几何参数[27]。 1) 齿轮廓曲线的曲率半径 在工作圆切面内， 齿轮廓曲线是椭圆或双曲线， 其上每点的曲率半径是变化的。 为简化计算，假设在齿宽中截面上的齿轮廓曲线各点曲率半径相同，可用一个圆弧 来代替椭圆弧或双曲线。计算用的圆弧应通过齿轮廓曲线上的三点 A、B、C。A 点 位于中截面上，B、C 两点分别位于两端。将该圆弧半径 Rt 定义为该齿轮廓曲线的 曲率半径，如图 2.2 所示。
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章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 图 2.2 工作圆切面上的曲率半径 Rt Fig.2.2 the work radius on the pitch circle 曲率半径 Rt 与单侧减薄量成正比，即它与齿的啮合间隙有关，减薄量不足可 能会造成干涉，减薄量过大则会消弱齿的强度，且会使得侧隙太大。工作图切面中 曲率半径 Rt 的大小，将影响啮合时的载荷分布情况。同理，可推知啮合平面内的齿 轮廓曲线也是椭圆或双曲线，其曲率半径 Re 的大小，在确定齿侧压力时有决定意义 [1] 。 2) 鼓形齿的位移圆半径 目前，在设计和应用鼓形齿时，其 简单及合理的方法为靠模曲线是圆弧的一 段。用与端截面平行的截面依次切出，每截面上的节圆半径是变化的。含轴截面上 切出的节圆线是圆弧的一段， 此圆称之为位移圆， 其半径即为位移圆半径 R， 圆心 在 半截面中心上，如图 2.1。根据经验。一般取 R = (0.5～1.9) d , R 较小,允许偏 移角 θ 较大, 运转较灵活; R 较大, 接触强度较好。
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章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 图 2.3 名称解释指示[20] 鼓形齿的位移圆半径 R,单侧减薄量 g t 和 g e , 工作圆上曲率半径 Re . Figure 2.3 nominal explanation :gear coupling crown radius R, g t , g e and Re 有些特殊的联轴器，位移圆半径可为不同数值的几段组成，节圆线处形成三段 弧，既可满足强度要求，又能减少侧隙。 3) 齿轮廓曲线及单侧减薄量 通过齿长中间对称截面来研究齿全长上的整个曲面形状，包含中间平面的齿啮 合线且垂直于中间平面的平面称为齿啮合平面，此平面的各几何量加脚注 e。过啮合 点与工作圆相切且垂直于中间平面的平面称为工作圆切面，此平面的各几何量加脚注 t。 在齿啮合平面和工作圆切面内，鼓形齿中间平面上的齿厚大于两端的齿厚，而齿厚差的一半称之为单侧减薄量 g e ， g t 。 26 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 g e = g t cos a g t = Rt (1 ? cos(θ ' ) ) 其中 a ——压力角； θ ' ----鼓形角 (2-2) (2-3) 经过计算，可得出工作圆切面内的齿轮廓曲线方程，当用滚齿法加工时，齿轮廓曲线为双曲线，当用插齿法加工时，齿轮廓曲线为椭圆。 2.3.2 内齿圈轮齿参数计算 1) 节圆直径、模数、齿数及压力角 外齿轴套轮齿的模数和齿数由承载能力决定，鼓形齿联轴器工作时 传递转矩 , 内 、外齿接触线上承受法向挤压力,同时由于两半联轴器鼓形齿轴线有角位移 Δα 或径向位移ΔY ,将有轴向分力,导致内、外齿间相对滑动。因此,损伤形式主要是 齿面点蚀剥落和磨损 。一般在点蚀剥落发展到 程度时,才发生折断。 防止点蚀剥落则需控制齿面接触应力不超过许用值 ,即强度计算主要计算接触应力,公式为[27]: σ H ≤ σ Hp 其中 (2-4) σ H = 6170 T , MPa Kd 3 T= 4000 N.m (2-5) σ H 为齿面接触应力 σ Hp 为许用齿面接触应力,可以查齿轮手册[16]根据工况而定取 504Mpa, K 引用下面图 2.4 的数据, K 有摆角位移时的承载能力系数,取 0.52 d 齿轮节圆直径,单位毫米,经计算得 126.99mm 圆整为 127
27 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 图 2.4 齿轮承载能力系数图 [27] Figure. 2.4 gear coupling loading capacity diagram 考虑到公司实际情况以及以前设计的案例,本齿轮参数为 标准 AGMA,采用 的是 DP12 刀具, 直径为 127mm 齿轮参数主要是根据强度来选择的。 在保证齿轮轮齿具有足够的 强度条件下，模数尽量取小值。选取较小的模数，有利于增加重合度使工作平稳性 提高，改善噪声和抗胶合性。 径节 DP12,( 相当模数 m =2.11667mm)， 齿数 Z =60， 压力角 a = 20° 2) 齿顶高系数及齿根间隙系数 由原始数据取： H a1* = 1 H f 1* =1.157 3) 齿顶圆直径 d a1 = d+2m H a1* =127+2 X 2.11667 X 1=131.191mm (2-6) 4) 齿根圆直径 df1 = d-2m H f 1* =127-2×2.11667 X 1.157=149.7mm (2-7) 5) 全齿高 H 1 = H a1 + H f 1 =2.11667 X (1+1.157)=4.572mm 6) 刀具位移圆半径 R = KmZ ( K=0.5 ~ 1.9 ) 取： K =0.6，则 R= 1.2 X 2.11667 X 60=152mm 7) 齿宽 (2-8) (2-9)
28 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 b1 = Kd (2-10) 取 22mm ( K=0.10 ~ 0.18) 取: K =0.17，则 b1=0.17×127=22.2mm 8) 工作圆切面齿廓半径 22 =420 = b1 Rt = o 2 sin 1.5 2 sin θ 9) 鼓齿齿厚单侧减薄量 gt = Rt (1-cosθ’) 鼓形角θ’≥θ 取 2.5 o (2-11) gt =420×(1-0.999048325)=0.3997mm 10) 单齿单边侧隙(装配用) 对于鼓形齿装配,由于鼓形齿已经有单侧减薄量了,因此为了满足摆角间隙,不 应该再在外齿上考虑了。 事实也是这样,在实际工作中,很多公司也是不修或者 50 um 以内。 2.3.3 外齿圈轮齿参数计算 1) 节圆直径、模数、分度圆直径、齿数及压力角 与内齿圈同 2) 齿顶高系数及齿根间隙系数 H a 2* = 0.80 3) 齿顶圆直径 H f 2* =1.062 d a2 = d-2m H a 2* =127-2 X 2.11667 X 0.80=123.571mm (2-12) 4) 齿根圆直径 df2 = d+2m H f 2* =127+2 X 2.11667 X 1.062=131.5466mm (2-13) 5) 全齿高 H2 = H a 2 + H f 2 =2.1167 X (0.80+1.062)=3.86mm 6) 齿宽 b2=(1.2~1.6) b1=34mm 7) 单齿单边侧隙(装配用) (2-14) (2-15) 对于与鼓形齿装配,和齿轮传动一样,非啮合侧 有侧隙满足动力传动,考虑 θ 角,装配间隙,齿形加工误差,公式如下,
29 上海交通大学工程硕士学位论文 章 基于 DFMEA 的搅拌机用鼓形齿联轴器设计 Jn1 = Js + Jz + Ja + Jc Jn1 总的侧隙 (2-16) Js 传动 小保证侧隙 Jc 装配侧隙 表 2.9 齿轮侧隙表 [27] Jz 补偿加工误差侧隙 Ja 角度位移补偿侧隙 本文中 考虑 Ja,其余取 0 取值见表 2.9 Table 2.9 Gear clearance requirement 角位移 Ja ±1 0.00045d ± 1 .5 0.001d ±2 0.0018d ± 2 .5 0.0028d ±3 0.004d Ja 取 0.127mm