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1、项目3 汽车故障产生的成因,教学目标与要求 掌握汽车可靠性的概念和要素 理解汽车可靠性的评价指标和分析方法 掌握汽车零部件失效的主要模式 掌握汽车零部件各种失效模式的机理 学会共同学习，合作完成实训，培养合作精神、职业道德和严谨的作风 教学重点 汽车可靠性的要素 汽车零部件的失效模式 教学难点 汽车可靠性的分析方法 汽车零部件各种失效模式的机理 教学模式（方法） 指导发现 讲授 分组讨论 视频演示,任务3.1 汽车可靠性分析,3.1.1 汽车可靠性概述 1. 汽车可靠性的定义 汽车的可靠性是指汽车产品在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。随着汽车工业的发展，汽车的可靠性越来越
2、受到人们的重视。对于汽车制造者而言，提高汽车的可靠性就是为了汽车制造企业生存的需要。对于汽车使用者而言，面对性能、价格和可靠性各异的汽车，绝大多数的用户都会把汽车的可靠性作为首选因素。,3.1.1 汽车可靠性概述,2. 汽车可靠性的要素 从汽车可靠性的定义可以看出汽车的可靠性包含四个要素，即汽车产品、规定条件、规定时间和规定功能。 （l）汽车产品 汽车产品包括整车、总成和零部件，它们都是汽车可靠性研究的对象。 （2）规定条件 汽车产品规定的使用条件包括工作条件、运用条件、维修条件和管理条件等。这些条件都直接影响汽车的可靠性。 汽车产品的工作条件 包括气候条件、道路状况好地理位置等环境条件。 汽
3、车产品的运用条件 包括载荷性质、运输种类和行驶速度等条件。 汽车产品的维修条件 包括维修方式、维修水平和维修制度等条件。 汽车产品的管理条件 包括存放环境、管理水平和驾驶员技术水平等条件。 （3）规定时间 规定时间是指汽车使用量的尺度，可以是行驶里程数、工作循环次数，也可以是时间数（如小时、天数、月数、年数）等。在汽车使用过程中，保修期、第一次大修里程、报废周期等都是重要的规定时间。 （4）规定功能 规定功能是指汽车设计任务书、使用说明书、订货合同以及国家标准规定的各种功能、性能和要求。不能完成规定功能就是不可靠，称之为发生了故障或失效了。故障包括：汽车停驶的完全性故障（硬故障）；汽车不能正常
4、工作的间歇故障；汽车性能逐渐下降到最低规定限度而不能正常使用的衰退性故障（软故障）。如汽车发动机动力性下降造成输出转矩减小以及爬坡能力不足、汽车的制动性能逐渐衰退超出交通法规限制范围且影响汽车的安全行驶，这些都属于典型的衰退性故障，应引起使用者以及维修人员的重视。,3.1.1 汽车可靠性概述,3. 汽车可靠性的发展历程 可靠性的发展历程可以追溯到60多年前，汽车产品的可靠性研究则相对较晚。可靠性的发展大致经历了四个时期。 （1）摇篮期 可靠性的研究始于第二次世界大战。当时，美军因飞行故障损失的飞机是被击落飞机的1.5倍，飞机上的电子设备有60%不能使用。这些惊人的数据引起了人们对可靠性的高度重
5、视，可靠性研究首先在电子领域开展起来，并取得初步效果。 （2）奠基期 从20世纪50年代起，可靠性问题更加突出。美国军用雷达因故障不能工作的时间占84%，陆军电子设备在规定时间内有65%75%因故障不能使用。美国国防部在1952年设立了“电子设备可靠性咨询小组”，1957年发表了著名的“军用电子设备的可靠性报告”，提出了在研制、生产过程中对产品可靠性指标进行试验、验证和鉴定的方法，以及包装、储存、运输世程中的可靠性问题及要求。这个报告被认为是电子产品可靠性工作的奠基性文件，可靠性理论的研究从此开始起步。之后，美国成立了可靠性管理机构，制订了可靠性工程大纲和可靠性标准，出版了可靠性手册，建立了可
6、靠性数据中心，举行了各种可靠性学术会议。可靠性工程开始成为一门独立的工程学科。 （3）普及期 1960年以后，可靠性工程从电子业向其他工业部门迅速推广，从最复杂的阿波罗登月飞船，到洗衣机、汽车和电视机等，都应用了可靠性设计和可靠性管理技术，并且有了明确的可靠性指标。从1959年开始，汽车产品实行保用里程制度。在质量管理（QC）活动中，提出了质量保证（QA）的概念，既要管t=0的质量（出厂质量），又要保证t 0的质量（可靠性）。1969年7月，阿波罗11号飞船登月成功时，显示了可靠性工程的卓越成就。美国宇航局（ NASA）在总结此项工程经验时认为，可靠性工程技术是其三大技术成就之一。 （4）成熟
7、期 进入20世纪70年代，人们在消费主义思想的支持下，提出了大量产品责任的问题，即因产品缺陷而使消费者受到损失，从而引起在法庭上进行赔偿损失的争议问题，因此使生产企业高度重视产品的责任预防问题，而可靠性技术就是解决这问题的重要手段。在此时期，日本产品的可靠性工作取得了很大的成就。1978年在日本召开的第四届国际质量管理会议（ICQC）上，成立了可靠性分委员会，会上对日本的可靠性研究工作给予了很高的评价。可靠性研究工作在世界范围内已到达成熟阶段。 国内外有关统计分析认为，产品故障有80%90%是因产品设计原因造成的。因此，产品设计阶段就抓可靠性是抓源头、抓根本和抓关键。可靠性设计技术在产品设计中
8、得到应用，就重点保障了产品的可靠性。可靠性是个系统工程，再抓好元器件正确选用，生产过程中的各个环节保障质量，采用各种可靠性试验方法，注重元器件失效分析等，这就保障了产品的可靠性。汽车产品的可靠性设计尤其如此。,3.1.2 汽车可靠性的评价指标,汽车的可靠性是汽车所具有的寿命质量方面的一种能力。它可以从不同角度、用不同的评价指标来描述，常用的可靠性评价指标有可靠度、累积故障概率、故障率、平均无故障工作时间、平均首次故障时间、可靠寿命和平均维修时间等。,1. 可靠度,汽车的可靠度是指汽车产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，用R表示。所谓概率是反映随机事件在n次试验中发生r次故障的
9、可能性。通常，概率是通过频率来表达的，所谓频率是指在n次试验中，产生r次某种结果，那么出现这种结果的频率就是r/n，显然0r/n1。 如有n个某种汽车零件，在规定的工作条件下和规定的时间内，有r个失效，其余(n-r)还在继续工作，那么这批零件的可靠度为：,式中，F=r/n累积故障概率或不可靠度。 设产品的规定时间为t。产品从开始工作到发生故障的连续工作时间为T。现设有n个汽车零件，从开始使用到出现故障时的失效零件数目为r(t)，则产品的可靠度函数由式（3-2）表示。,可靠度函数R(t)的曲线可用图3-l表示。该曲线表明：随着时间的增长，产品的可靠度越来越低，最终会完全失效。,图3-l 可靠度函
10、数R(t)曲线,（3-2）,（3-1）,2. 累积故障概率,累积故障概率也称不可靠度或失效度，是指产品在规定条件下和规定时间内不能完成规定功能的概率或发生故障的概率，记为F(t)。与可靠度相对应，不可靠度和可靠度之间的关系如下：,（3-3）,在可靠性的研究中，通常以F(t)为主要研究对象。原因在于F(t)的大小直接反映了在t时刻以前累积故障的情况，也反映了故障与时间t的函数关系。累积故障概率与可靠度的关系如图3-2所示。,图3-2 累积故障概率与可靠度的关系曲线,3. 故障率,在对汽车产品进行可靠性分析时，希望知道单位时间内有多少产品发生故障，或者说在某时刻t以后单位时间内有多少产品失效。而这
11、些失效产品在时刻t以前应是处于无故障工作状态，由此引入故障率的概念。 故障率是指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率，称为该产品在t时刻的故障率，记为l(t)。 设n为零件数，r(t)为到时刻t的故障数，则n-r(t)为无故障的残存数，又设Dr(t)为t时刻以后Dt内出现的故障数，则Dr( t)/Dt为单位时间的故障数。故障率即可表示为：,（3-4）,式中，f(t)故障概率密度，,整车和发动机的当量故障率D为：,（3-5）,式中，n试验子样数； t试验截止时间； j各类故障数； rj试验子样发生第j类故障数； ej第j类故障的当量故障数，其值如下表3-1。 表3-1
12、各种类别故障的当量故障数,4. 平均无故障工作时间,对可维修的汽车产品，平均无故障工作时间是指汽车故障的平均间隔时间，记作MTBF( mean time between failure)。它是汽车产品最常用的可靠性指标，通常也称为平均寿命。,（3-6）,式中，N汽车产品发生故障的次数； ti两次故障的间隔时间。 5. 平均首次故障时间 平均首次故障时间是指汽车产品首次故障时间的平均值。它体现了汽车产品第一次可能发生故障的早晚，对于人们越来越重视汽车产品可靠性的今天，平均首次故障时间是个很重要的指标，记作MTTF（mean time to failure）。 6. 平均维修时间 平均维修时间是指
13、汽车产品修复时间的平均值，记作MTTR( mean time to repair)。 7. 可靠寿命 可靠寿命是指汽车产品可靠度达到规定值R0时所用的时间，用TR表示。在可靠性工程中，与寿命有关的参数有平均寿命、可靠寿命、中位寿命和特征寿命等。平均寿命是寿命的平均值，中位寿命是可靠度为0.5时产品的寿命，当产品工作时间达到T0.5时，其可靠概率和不可靠概率各占一半。,4. 平均无故障工作时间,8. 维修度M(t) 维修度M(t)是指汽车的系统或产品在规定的条件下进行维修时，在规定的时间内保持或恢复到规定状态的概率。 维修时间t是影响维修性的一个重要因素，它受到许多因素的影响，主要取决于维修对象
14、的性质、维修人员的水平、维修设备的先进性和工作条件等。 维修度M(t)是维修时间的非减函数，t=0时，M(t)=0；t时，M(t)l。 9. 有效度A(t) 有效度A(t)是把系统可靠性和维修性特性转换为效能的一个指标的参数。通过可用性分析，可以在系统的可靠性和维修性参数间作出合理的权衡。,（3-7）,式中，U能工作时间； D不能工作时间。,3.1.3 汽车可靠性分析,1. 汽车可靠性试验,1. 汽车可靠性试验,（1）可靠性试验的目的 汽车可靠性试验是为了提高或确认汽车产品的可靠性而进行的试验。其目的主要有： 发现新研制汽车产品的弱点以改进设汁 确认汽车零件的设计任务书 保证汽车产品质量 审查
15、汽车产品制造工艺的好坏 评价汽车产品的可靠性，可以通过规定的试验方法进行可靠性试验，并对试验结果进行处理，以得出该产品的可靠性指标。同时，通过可靠性试验可以对失效样品进行分析，找出薄弱环节并采取相应的对策，就可以达到提高汽车产品可靠性的目的。因此，可靠性试验是汽车产品可靠性评价的一个重要手段，是研究汽车产品可靠性的基本环节之一。 可靠性试验与汽车产品的常规试验不同，常规试验的目的只是在汽车产品出厂验收时，判断其性能指标是否符合汽车产品出厂标准，而没有测定汽车产品在规定时间内的失效率，因而不能对汽车产品的可靠性提供任何保证；而可靠性试验是汽车产品可靠性预测和验证的基础。,（2）可靠性试验的类型,
16、按照试验性质，汽车产品的可靠性试验可分为寿命试验、临界试验、环境试验和使用试验等。 寿命试验 寿命试验是为了确定汽车产品的寿命分布和特征值而进行的试验，一般采用台架试验和试验场试验。按照试验性质，寿命试验又分为储存寿命试验、工作寿命试验和加速寿命试验等。汽车产品在规定的环境条件（如室温、高温或潮湿等）下进行非工作状态的存在试验，称为储存寿命试验。汽车产品在规定的条件下作加负载的工作试验称为工作寿命试验。在既不改变汽车产品的失效机理又不增加新的失效因素的前提下，提高试验应力，加大汽车产品失效因素的作用，加速汽车产品的失效过程，促使汽车产品在短期内大量失效，称为加速寿命试验。 为了缩短寿命试验的周期，一般采用加速寿命试验。在试验室里进行的台架加速寿命试验，由于试验条件稳定，容易获得良好的试验结果。台架寿命试验包括破坏性试验和非破坏性试验。破坏性试验是在规定条件下投入一定数量的样品进行寿命试验，记录这些样品发生失效的时间。这些失效时间就是统计分析汽车产品寿命的基础。非破坏性试验一般是指对小样本、价格高的重要零部件进行的
