汽车机械零件的可靠性设计

车辆可靠性第5章 汽车可靠性设计

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5.1 汽车可靠性设计规范5.1.1可靠性设计的含义及重要地位 汽车设计质量是保证汽车可靠性的重要环节。汽车 设计阶段所赋予的产品质量和可靠性水平，对汽车产品 的寿命和可靠性具有根本性的影响。 所谓汽车可靠性设计，就是在汽车产品性能设计的 同时，运用可靠性理论和分析方法，明确汽车系统可靠 性的指标，进行汽车系统设计的一种方法。所以，汽车 可靠性设计决不是掘弃以往的汽车常规设计方法，而是 在常规设计基础上，使汽车设计更趋完善、更加精确、 更为科学的系统设计方法。2

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5.1.2 汽车设计阶段可靠性工作的主要环节 在可靠性设计阶段，应着重抓好五个环节。 (1)系统设计 进行科学的、合理的系统设 计，选定目标样车，掌握同类车型的各种试验 参数和可靠性水平，明确开发新车型的系统、 分系统的可靠度要求和目标(即可靠度的预测 和分配),赋予各子系统的容差和空间位置。 (2)详细设计 严格按照系统要求，进行各子系 统、零部件的详细设计。重点把握结构、材料 的选择，应力、强度的精确计算，注意部件与 整车的协调、配合。 3

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汽车设计阶段可靠性工作的5个主要环节

(3)考核评审 通过可靠性试验、分析、研究、 阶段性的设计评审，考核设计方案是否合适;并 及时反馈设计部门予以修订设计。

(4)工艺设计 在设计文件中，明确零部件的质 量要求和工艺规范，建立、健全质量验收的标 准，从生产角度 (或外加工进货角度)保证零部 件的可靠性。(5)试验反馈 运用可靠性试验数据和可靠性分 析、研究的成果，及时反馈到有关设计、生产 中去。 4

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5.1.3汽车可靠性设计的基本要求5.1.3.1可靠性设计的辩证思维 (1)可靠性与成本的辩证关系汽车是一个复 杂的系统，汽车设计的方法实属系统工程学的方法，对 于系统而言，就是在有限的资源 (人力、物力、时间) 条件制约下，尽可能地获得最大的系统有效性。 还应考虑到质量指标、经济指标、外观形貌、生产 和开发能力，诸如性能、成本、安全、时间、尺寸、重 量以及使用、维修等方面的限制产品的寿命不一定是越长越好。5

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可靠度与费用的关系6

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5.1.3.1可靠性设计的辩证思维

(2)可靠性与简单化、标准化、冗余性的辩证关系 在通常情况下，系统愈简单，零部件愈少，则可靠 性就愈高;愈是简单化、 标准化，也就愈能增加互换性、 更换性和易检性，从而提高了产品的可维修性。 对某些关键性部件采用冗余系统设计 (贮备设计), 虽然增加了系统的复杂性，但它是提高系统可靠性的 有效办法。所以，简单化、标准化与冗

余系统的采用， 要辩证地分析。 (3)可靠性与可维修性的辩证关系 汽车是可维修产品， 不应单纯追求产品的固有可靠性，必须重视可维修性 设计，着眼于汽车的有效度。 7

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5.1.3.1可靠性设计的辩证思维

(4)可靠性与设计程序的辩证关系 如可靠性数据的调 查、收集、预测、分配等。可靠性预测、分配的工作 质量如何，主要取决于数据本身的可靠性水平。为保 证产品设计可靠性，可靠性设计必须依赖于完备的设 计数据。 设计数据包括:准备优选的原材料、部件的规格参 数和试验数据;重要部件和低可靠度部件的一览表;规 格说明书;故障、应力等完备的技术资料;同时还包括 收集、分析现场试验数据和确定反馈路线。虽然严格 的设计程序有时显得繁琐，会牵制精力甚至影响开发 周期，然而科学规范的设计程序是整车质量和可靠性 的必要保证。8

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5.1.3.1可靠性设计的辩证思维

(5)设计审查与可靠性的关系 将可能发现的问题解决 在产品开发阶段，必须在设计工作的各个阶段，组 织设计评审工作。故障模式及危害度分析和审定是 设计开发工作计划的重要组成部分，是形成自主开 发能力的一个重要环节。 主要有以下几种评审:①市场调研、项目确立的 可行性评审。②图样设计完成后的评审。③样机试 制后的评审。④性能、可靠性试验结束后的评审。 ⑤产品鉴定。 评审的主要目的:审查可靠性、可维修性与质量 是否取得了均衡，审查费用、功能、加工性、生产 效率、使用性等与设计有关的各个要素是否有不完 备的地方;审查系统、分系统与零部件的匹配与协调。 评审应当是有组织的、客观的、公正的、有理论或 试验依据的。 9

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5.1.3.2 设计的基本要求(1) 设计之初应力求避免已考虑到的缺陷，即使 由于某种原因一时难于避免，也应从设计角度考虑容 易诊断和修理。从根本上提高汽车的有效度和可靠性。 (2) 设计应包括:汽车系统设计、可靠性分配、详 细设计以及与其相应的预测、分析、试验和设计审查 等。 (3)设计要在过去的技术积累的基础上，提高效率。 为了做好设计工作，要有计划、有组织地积累必要的 数据资料 (建立数据库)。 (4) 必须综合平衡可靠性、维修性、整车系统协 调性、产品质量要求、成本费用等技术经济要素。这 些因素概括起来有:时限性、功能性、商业性、生产性、 10 物理性、艺术性、舒适性。

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5.1.3.3 汽车可靠性设计的基本内容(1) 从系统方面考虑★确定整车的可靠性数据指标 根据市场、用户要求和使用环 境，明确汽车系统的可靠性要求，确定预期的可靠性和可维修 性指标，进行方案设计。 ★确定汽车的工作环境

诸如汽车使用气候条件、道路条件、 载运条件等等。 ★确定整车的系统的构成及配置 诸如:动力系一电控喷射发 动机、制动系一ABS装置。 ★实施可靠性预测和分配 将汽车系统的可靠性指标分配给各 个分系统 (总成)和零部件，并对可靠性的目标值进行预测。 ★决定易操作性基本要求(人机可靠性) 如自动变速器、自 动摇窗机、转向器变位能力、制动助力装置……等等。 ★决定维修性基本要求 在维修性设计时，应采用修复容易的 11 结构、维修方式及诊断方式。

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5.1.3.3 汽车可靠性设计的基本内容

★决定安全性基本要求 如安全气囊、制动防锁装置、智能 化防盗装置…等等。 ★可靠性设计评审 有计划地、分阶段地提出可靠性评审的 基本要求和基本内容，发挥集体智慧和专家作用，听取建设 性评价和采取相应对策从而提高可靠性水平，使设计方案更 经济、更有效、更可行。 ★修改设计方案 根据可靠性试验结果，对不合理的设计予 以修改，使设计方案更加完善，这种修改往往不是一次完成 的，需要多次反复，逐步提高和完善。 ★确定整车或零部件的运输、包装以及保管要求 涉及储 运装置的设计。 ★各项指标的综合平衡 不仅要考虑可靠性和维修性，同时 要考虑其它质量要素，如重量、尺寸。外观等，并把功能， 成本费用包括在内，都应取得平衡，当某些方面矛盾突出时， 应当以求得安全性、可靠性、耐久性为优先。某些方面也可 12 采用折中处理。

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5.1.3.3 汽车可靠性设计的基本内容

(2)从零部件方面考虑 ★ 确定总成或零件的可靠性要求。 ★ 制定出零件可靠性一览表。 ★ 制定出高可靠性零件一览表。 ★ 指出可靠性不佳的零件。 ★ 确定零件寿命。 ★ 确定零件的失效率。 ★ 重要的零件采用概率设计方法。 ★ 关键零件的可靠性试验计划。 ★ 采用标准件和质量稳定、设计成熟、制造水平 高的零部件。 ★ 贮备设计:考虑采用冗余 (贮备)设计法和备件 13 的使用。

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5.1.3.3 汽车可靠性设计的基本内容

★ 重要零件及部件上装设自动监视、故障显示、 自动校正装置。 ★ 制定重要件、易损件的使用、维修方针。 ★ 尽量减少调整点。 ★ 进行零件的可靠性预测。 ★ 确定零件报废标准、故障模式和失效判据。 ★ 进行零部件可靠性评审。 ★ 制定零件包装;运输、贮存、使用、维修说明书。

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5.1.3.3 汽车可靠性设计的基本内容

(3)从外购件方面考虑 ★ 收集外购件使用中的反馈信息，掌握外购件供应 厂的设计和制造能力。 ★ 对外购件提出性能要求、可靠性要求以及相应的 定量指标。 ★ 审查提供产品的工厂试验数据(或质量保证书)

资 料，其中包括可靠性数据、质量指标等等。 ★ 接收提供产品的工厂编制的产品设计、使用说明 书。 ★ 对确定认购的产品作入库检验。 ★ 定期进行确认试验。15

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5.1.3.3 汽车可靠性设计的基本内容

(4)从人机工程方面考虑★便于驾驶员操作 具有良好的操纵性能和适宜的操作范围。 ★ 视野、灯光、反照镜等设计 辨清能力。 ★ 舒适性设计 都要有利于提高驾驶员的

不易使驾驶员产生疲劳。

★ 易于操作辨认，防止产生误操作 采用易于操作，使用 方便、失误动作较少的结构，设计防误操作的装置。

★ 信息显示设计 各种仪表 (里程表、转速表、油量指示 表等)、指示灯、巡航系统等等。★ 车内环境 空调、灯光、制动、噪音、振动、音响等等。16

★ 色彩效果以及心理影响因素的考虑。

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5.1.3.3 汽车可靠性设计的基本内容

(5)从汽车产品制造方面考虑 ★ 选用先进的加工设备以及工具、量具、卡具。 ★ 正确的工艺设计以及工艺流程。 ★ 材料的可靠性试验或质量验收试验。 ★ 外协产品的接收试验。 ★ 制造人员的培训和教育。 ★ 制造过程的管理。 ★ 制定正确的操作规程。 ★ 制定正确的维修或安装调试规程。 ★ 具备适用的维修或安装调试设备和工具。 ★ 做好售后服务。 ★ 在生产线上作在线检查。 ★ 定期进行质量分析。

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5.2 汽车零件可靠性设计5.2.1、应力-强度干涉理论 应力与强度的概念 应力：产品的工作值，如应力、压力、力、载荷、 变形量、磨损量、温度等，常用s表示。 强度：产品能承受这些工作值的能力，用δ表示。 产品的可靠度可以说成是产品的强度大于施加于该 产品的应力概率。18

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产品可靠性设计的基本假设： ①强度为一非负的随机变量或随机过程 ②应力为一非负的随机变量或随机过程 ③当应力小于强度时，产品被认为是可靠的，否 则被认为失效或故障。 ④失效仅由于应力的作用。 ⑤计算应力和强度的一切力学公式仍然适用，但 公式中的确定量均视为随机变量或随机过程。19

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应力-强度可靠性计算模型的三种基 本形式：①应力-强度随机变量模型：应力和强度 均为随机变量。 ②应力-强度半随机过程(变量)模型： 应力或强度之一为随机变量，另一个为随 机过程 ③应力-强度随机过程模型：应力和强度 均为随机过程。20

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5.2.2、压力-强度干涉

(1)、如图中所示的相 交的区域，即干涉区 域，就是产品可能发 生故障的区域。

g ( ) f (s )

(2)、在安全系数大于1 的情况下仍然会存在 一定的不可靠度。21