汽车可靠性 第六章

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1、1 汽车可靠性技术汽车可靠性技术 第二十八讲 主讲教师：杨志发 学时：32 汽车失效分析 2 2 3 内容提纲 一、失效模式 二、FMEA-失效模式影响分析 三、FAT-故障树分析 四、汽车零部件失效机理 3 一、失效模式 4 汽车零部件失效分析，是研究汽车零部 件丧失其功能的原因、特征和规律；目的在 于：分析原因，找出责任，提出改进和预防 措施，提高汽车可靠性和使用寿命。 1.1 1.1 概述概述 5 1）故障的危害与分级 产品在规定的条件下，在规定的时间内，不能 完成规定功能的现象称为失效，也称为故障。 6 1.1 1.1 概述概述 通常，故障和失效具有同等概念，但“失效”更多的用 于不可

2、修复产品（即丧失规定功能，等待报废），而“故障 ”则用于可修复产品（即丧失规定功能，等待修复）。 7 1.1 1.1 概述概述 2）汽车零件失效的概念 汽车零部件失去原设计所规定的功能称为失效。失效 不仅是指完全丧失原定功能，而且还包含功能降低和有严 重损伤或隐患、继续使用会失去可靠性和安全性的零部件 。 3）失效分析的目的和意义 目的：了解产品失效的真实情况，对产品进行系统地分 析，鉴别其失效模式、失效机理、失效部位、失效时间、 失效影响并进行后果分析，把失效影响和后果分析及时反 馈给设计和制造部门，并据以制订改进措施，以防止同类 失效再度发生，是产品获得更高的可靠性。 意义：是提高产品质量

3、的重要手段。 8 1.2 1.2 失效模式失效模式 1）定义 按失效模式失效模式和失效机理失效机理对失效进行分类是研究失效的重 要内容。 失效模式：失效所表现出的形式。 汽车及其零部件的失效模式并不是固定不变的，即同一 种产品出现故障可以有不同的形式。零部件失效模式与它的 结构、材料、设计、制造、储存、保养、工作环境等因素有 关。 汽车零部件失效方式有磨损磨损、疲劳断裂疲劳断裂、变形变形、腐蚀腐蚀及 老化老化等五类。 一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。 基本原因主要内容应用举例 工作条件零件的受力状况 曲柄连杆机构在承受气体压力过程 中，各零件承受扭转、压缩、弯曲载荷 及其应力作用；

4、 齿轮轮齿根部所承受的弯曲载荷及 表面承受的接触载荷等； 绝大多数汽车零件是在动态应力作 用下工作的。 工作环境 汽车零件在不同的环境介质和不同 的工作温度作用下，可能引起腐蚀磨损 、磨料磨损以及热应力引起的热变形、 热膨胀、热疲劳等失效，还可能造成材 料的脆化，高分子材料的老化等。 1.2 1.2 失效模式失效模式 2）零件失效的基本原因 有工作条件、设计制造、使用维修等方面造成的影响。 9 基本原因主要内容应用举例 设计制造设计不合理 轴的台阶处直角过渡、过小的圆角 半径、尖锐的棱边等造成应力集中； 花键、键槽、油孔、销钉孔等处， 设计时没有考虑到这些形状对截面的削 弱和应力集中问题，或位

5、置安排不妥当 ； 选材不合理、 制造工艺过程中 操作不合理 制动蹄片材料热稳定系数不好； 产生裂纹、高残余内应力、表面质量不 良； 使用维修 使用、 维修 汽车超载、润滑不良，频繁低温冷启动 ； 破坏装配位置，改变装配精度； 1.2 1.2 失效模式失效模式 10 11 汽车零件失效分类 失效类型失效模式举例 磨损 粘着磨损、磨料磨损、表 面疲劳磨损、腐蚀磨损、 微动磨损 汽缸工作表面“拉缸”、曲轴“抱轴”、 齿轮表面和滚动轴承表面的麻点、凹 坑等 疲劳断裂 低应力高周疲劳、高应力 低周疲劳、腐蚀疲劳、热 疲劳 曲轴断裂、齿轮轮齿折断等 腐蚀 化学腐蚀、电化学腐蚀、 穴蚀 湿式汽缸套外壁麻点、

6、孔穴 变形 过量弹性变形、过量塑性 变形 曲轴弯曲、扭曲，基础件（汽缸体、 变速器壳、驱动桥壳）变形 老化龟裂、变硬橡胶轮胎、塑料器件 1.2 1.2 失效模式失效模式 12 1.2 1.2 失效模式失效模式 3）失效模式 13 1.2 1.2 失效模式失效模式 14 1）失效分析的步骤 失效分析三要素：对象状态、失效原因、失效结果 失效分析的主要步骤： 失效调查 通过调查，收集零部件的失效数、应力、时间、 任务、次数等有关数据资料。在收集数据的同时，作 现场记录。 失效模式的鉴定 根据收集的失效数据的调查和失效现象的描述， 鉴别失效与哪些零部件有关，并鉴别出失效模式。 1.3 1.3 失效分

7、析失效分析 15 失效机理的推断 根据前两项资料，结合零部件的结构、材料及收 集制造情况和历史经验，寻找失效的规律和导致失效 的内在原因，推断失效的机理。 实验论证 用实验的方法论证失效机理的推断是否准确。 改进措施 根据实验所论证的失效机理，针对产生失效的诸 方面因素，拟定消除失效的各种措施，如设计、工艺 、材质、公差配合、使用环境、质量控制等方面。 1.3 1.3 失效分析失效分析 16 1.3 1.3 失效分析失效分析 2）失效分析方法 按失效检验项目进行失效分析 零件的失效是由于工作应力大于失效抗力时所造 成的。首先从零件的受力状态、环境介质、温度等考 虑失效原因，然后根据资料和现场调

8、查就可以确定主 要的分析项目。 按失效模式进行分析 根据零件的残骸（断口或磨屑等）的特征和残留 的有关失效过程信息，首先判断失效模式，进而推断 失效的根本原因。 17 1.3 1.3 失效分析失效分析 按系统工程分析方法 这种方法把产品看出一个系统，采用数学方法或 计算机等现代化工具，研究系统故障率的原因和结果 之间的逻辑关系，对系统构成要素、组织结构、信息 交换等功能进行分析、设计、制造、维护等，从而达 到最优设计、最优控制和最优管理的目的。 不仅是事故后采用的一种善后方法、可以在事故 前采取必要的防范措施。 目前常用的方法有：失效模式影响及危害分析（ Failure Mode Effect

9、 and Criticality Analysis,简称 FMEACA）、故障树分析（Fault Tree Analysis，简 称FTA）、特性要因图、摩擦学系统分析等。 17 1.3 1.3 失效分析失效分析 18 二、FMECA-失效模式影响分析 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 三、FAT-故障树分析 30 内容提要 概述 故障树的基本概念 定义 目的、特点 FTA工作要求 常用事件、逻辑门符号 故障树分析 定性分析 定量分析 重要度分析 故障树的简化 31 切尔诺贝利核泄露事故、美国的挑战者号升空后爆炸和 印度的博帕尔化学物质泄露。 FMECA：单因素

10、分析法，只能分析单个故障模式对系统的 影响。 FTA可分析多种故障因素（硬件、软件、环境、人为因素 等）的组合对系统的影响。 FMECA和FTA是工程中最有效的故障分析方法，FMECA是 FTA的基础。 各工程领域广泛应用：核工业、航空、航天、机械、电 子、兵器、船舶、化工等。 3.1 3.1 概述概述 32 泰坦尼克海难 海难后果 船体钢材不适应海水 低温环境，造成船体 裂纹 观察员、驾驶员失误 ，造成船体与冰山相 撞 船上的救生设备不足 ，使大多数落水者被 冻死 距其仅20海里的 California号无线电通 讯设备处于关闭状 态，无法收到求救 信号，不能及时救 援 顶事件 逻辑门 中间

11、事件 底事件 3.1 3.1 概述概述 33 电机故障树 3.1 3.1 概述概述 34 1)定义 故障树 故障树指用以表明产品哪些组成部分的故障或外 界事件或它们的组合将导致产品发生一种给定故障 的逻辑图。 故障树是一种逻辑因果关系图，构图的元素 是事件和逻辑门 事件用来描述系统和元、部件故障的状态 逻辑门把事件联系起来，表示事件之间的逻 辑关系 3.2 3.2 故障树的基本概念故障树的基本概念 35 故障树分析（ FTA ） 通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素 进行分析，画出故障树，从而确定产品故障原因的各种可能 组合方式和(或)其发生概率。 定性分析 主要任务是寻找导致顶

12、事件发生的所有可能失效模式-失 效谱，或找出使系统成功的成功谱。即找出故障树的全部最 小割集或全部最小路集。 定量分析 主要任务是利用故障树作为计算模型，在已知底事件发 生概率的条件下，求出顶事件（及系统失效）的发生概率 ，从而对系统的可靠性、安全性及风险作出评估。 3.2 3.2 故障树的基本概念故障树的基本概念 36 2）FAT的目的和特点 目的 帮助判明可能发生的故障模式和原因； 发现可靠性和安全性薄弱环节，采取改进措施，以 提高产品可靠性和安全性； 计算故障发生概率； 发生重大故障或事故后，FTA是故障调查的一种有 效手段，可以系统而全面地分析事故原因，为故障 “归零”提供支持； 指导

13、故障诊断、改进使用和维修方案等。 3.2 3.2 故障树的基本概念故障树的基本概念 37 特点 是一种自上而下的图形演绎方法； 有很大的灵活性； 综合性：硬件、软件、环境、人素等； 主要用于安全性分析； 3.2 3.2 故障树的基本概念故障树的基本概念 38 3）FTA工作要求 在产品研制早期就应进行FTA，以便早发现问题 并进行改进。随设计工作进展，FTA应不断补充 、修改、完善。 “谁设计，谁分析。” 故障树应由设计人员在FMEA基础上建立。可靠性 专业人员协助、指导，并由有关人员审查，以保 证故障树逻辑关系的正确性。 3.2 3.2 故障树的基本概念故障树的基本概念 39 应与FMEA工

14、作相结合 应通过FMEA找出影响安全及任务成功的关键故障 模式（即I、II类严酷度的故障模式）作为顶事件 ，建立故障树进行多因素分析，找出各种故障模式 组合，为改进设计提供依据。 FTA输出的设计改进措施，必须落实到图纸和有关技 术文件中 应采用计算机辅助进行FTA 由于故障树定性、定量分析工作量十分庞大，因此 建立故障树后，应采用计算机辅助进行分析，以提 高其精度和效率。 3.2 3.2 故障树的基本概念故障树的基本概念 40 4）故障树常用事件和逻辑门符号 符号说明 底 事 件 元、部件在设计的运行条件下发生的随机故障事件。 q实线圆硬件故障 q虚线圆人为故障 未探明事件 表示该事件可能发

15、生，但是概率较小，勿需再进一步 分析的故障事件，在故障树定性、定量分析中一般可 以忽略不计。 结 果 事 件 顶 事 件 人们不希望发生的显著影响系统技术性能、 经济性、可靠性和安全性的故障事件。 中 间 事 件 故障树中除底事件及顶事件之外的所有事件 。 3.2 3.2 故障树的基本概念故障树的基本概念 常用事件符号 41 符号说明 开关事件：已经发生或必将要发生的特殊事件。 条件事件：描述逻辑门起作用的具体限制的特殊事件。 n入三角形：位于故障树的底部，表示树的A部分分支在另外 地方。 n出三角形：位于故障树的顶部，表示树A是在另外部分绘制 的一棵故障树的子树。 A 3.2 3.2 故障树的基本概念故障树的基本概念 42 符号说明 与门nBi(i=1,2,n)为门的输入事件，A为门的输出事件 nBi同时发生时，A必然发生，这种逻辑关系称为事件 交 n用逻辑“与门”描述，逻辑表达式为 或门n当输入事件中至少有一个发生时，输出事件A发生， 称为事件并 n用逻辑“或门”描述，逻辑表达式为 常用逻辑门符号 3.2 3.2 故障树的基本概念故障树的基本概念 43 符号说明 表决门：n个