（光学工程专业论文）支持设计的汽车可靠性试验信息智能化管理系统研究.pdf

摘要 摘要 汽车在可靠性试验过程中会产生各种各样的故障，引起这些故障的原因很多，为了支 持设计，本文在对汽车可靠性试验中常见故障进行分析的基础上，对因设计原因引起的故 障进行提取，提出了智能优化建模的思想，详细研究了支持设计的汽车可靠性试验信息智 能化管理系统的实现原理，利用v b 和m a t l a b 混合编程方法开发了一套支持设计的汽 车可靠性试验信息智能化管理软件系统。 论文从分析汽车可靠性试验中常见故障表现形式入手，对其产生机理和设计缺陷源进 行分析，找出主要故障模式与汽车产品设计之间的映射关系。通过对现有改进设计方法的 比较，采用优化设计原理对汽车故障率较高的零件进行结构改进。在优化设计建模阶段， 论文以实例的形式对优化设计建模的方法进行了讨论，并详细介绍了设计变量、目标函数、 约束函数等优化建模三要素的确定过程，根据智能化设计思想，建立了可靠性试验信息知 识库以及推理机制，提出有针对性的设计改进意见，根据设计流程，利用计算机高级语言 独立完成了系统的软件编制。 论文最后，通过实例运行，验证了支持设计的汽车可靠性试验信息智能化管理系统的 可行性和正确性。 关键词：汽车、设计、可靠性、信息管理、智能化 a b s t r a i ：t a b s t r a c t n ea u t o m o b i l ew i l lp r o d u c ev a r i o u sf a u l t sd u r i n gt h er e l i a b i l i t yt r i a l sp r o c e s s a n dt h e r ea r e m a n yr e a s o n sf o rt h e s ef a u l t s a f t e ra n a l y z e dt h ea u t o m o b i l e st h e s ef a m i l i a rf a u l t s ，w i t h d r a w t h ef a u l t sb e c a u s eo f d e s i g n , p u t t e af o r w a r dt h et h o u g h to f i m e u i g e n t l yc o n s t r u c t i n go p t i m i z e d m o d e l ，a n dd e t a i l e d l yr e s e a r c h e dt h ew a yo f t h ei n t e l l e c t u a l i z e dm a n a g e m e n ts y s t e mo f t h e a u t o m o b i l er e l i a b i l i t yt r i a l si n f o r m a t i o nt h a ts u p p o r t st h ed e s i g n , d e s i g n e di t ss o f t w a r es y s t e m u s i n gv b 砷dm a t l a bc o m p u t e rl a n g u a g e s 。 t h et h e s i sf i r s t l ya n a l y z e dt h em a n i f e s t a t i o no fa u t o m o b i l e sf a m i l i a rf a u l t sd u r i n gt h e r e l i a b i l i t yt r i a l s ，d e l i c a t e l yi n v e s t i g a t e dt h e i rf a i l u r em e c h a n i s ma n dd e s i g n e db l e m i s h , f i n do u t t h er e l a t i o nb e t w e e nt h em a i nb r e a k d o w nm o d ea n dt h ea u t o m o b i l ep r o d u c td e s i g n ，t h e n c o m p a r e dt h em a i nd e s i g ni m p r o v e m e n tm e t h o d s ，a d o p tt h ep r i n c i p l eo fo p t i m i z e dd e s i g n m e t h o dt oa m e l i o r a t et h ea u t o m o b i l ep a r t ss t r u 9 1 & u e $ w h o s eb r e a k d o w nr a t ei sh i g h e r t h et h e s i s d i s c u s s e dt h em e t h o d so fo p t i m i z e dm o d e l i n gb yu s i n gp r a c t i c a le x a m p l e si nt h ep h r a s eo f c o n s t r u c t i n go p t i m i z e dm o d e l ，a n dd e t a i l e d l yi n t r o d u c e dt h ep r o c e s so ft h eo p t i m i z e dm o d e l s t h r e em a i nf a c t o r s - - - t h ed e s i g nv a r i a b l e 1 l l t a r g e tf u n c t i o n , t h es t i p u l a t i o nf u n c t i o r v - - e s t a b l i s h e d , d e s i g n e da n db u i l tu pt h ek n o w l e d g eb a s ea b o u tt h er e l i a b i l i t yt r i a l s i n f o r m a t i o na n dt h e l o g i c a l l y - r e a s o n i n gm e c h a n i s ma c c o r d i n gt ot h et h o u g h to fi n t e l l i g e n t l yc o n s t r u c t i n go p t i m i z e d m o d e l ，p r o p o s e dt h ed e s i g ni m p r o v e m e n ta d v i c ea c c o r d i n g l y c o m p l e t e l yw r o t ea n dc o m p i l e d t h es o f t w a r eu s i n gh i g hl e v e rc o m p u t e ri a n g u a g e s i nt h ee n d ，t h r o u g hr u n n i n gt h es o f t w a r ea n di n s t a l l c c s ，v a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t ya n d c o r r e c t n e s so ft h ei n t e l l e c t u a l i z e dm a n a g e m e n ts y s t e mo ft h ea u t o m o b i l er e l i a b i l i t yt r i a l s i n f o r m a t i o nt h a ts u p p o r t st h ed e s i g n k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ，d e s i g n , r e l i a b i l i t y ，i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t , i n t e l l i g e n t i z e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：炒f 年；月如日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：坠函蕴e砷6 年4 月岁口日 南京理t 大学碗卜学位论文支持垃计的汽车可靠性试验信息智能化管理系统研究 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 课题的提出 本课题来源于南京汽车集团技术中心随着汽车工业的迅速发展和应用的普及，汽车 产品的可靠性对提高产品在市场上的竞争力起着越来越重要的作用。为了评价汽车产品的 可靠性或掌握产品的可靠性现状，找出存在的问题，企业花费了大量的人力、物力和财力 进行可靠性试验，然而长期以来，国内的一些汽车试验场及研究所一直采用人工方式来寻 找和处理可靠性试验中出现的各种各样的缺陷和故障，这仑过程非常复杂，需要分析人员 具有非常丰富的实际经验，因为这些缺陷和故障产生的原因复杂，包括设计、制造、工艺、 使用、维护等原因，因此，如何全面、及时、准确地汇集、统计、分析这些信息，并把分 析的结果迅速地反馈到企业各个部门，便成了一个亟待解决的问题。在这些故障源中，由 于设计产生缺陷和故障是其中的主要原因之一，在计算机普遍应用的今天，如何利用计算 机及相应的软件系统来处理、分析和解决因设计引起的缺陷和故障这一问题，正成为企业 急需解决的难题。 1 1 2 课题的研究目的和意义 支持设计的汽车可靠性试验信息智能化管理系统是集数据库、软件工程、可靠性技术、 优化技术、车辆工程、统筹学等学科于一体，它是充分利用数据库技术、车辆工程学以及 数值分析的相关原理和方法，以计算机为工具所形成的学科研究领域。课题在对现有可靠 性试验数据统计分析的基础上，对故障发生频率较高的汽车总成或零部件进行故障分析， 找出其设计缺陷。对其结构进行改进，将优化设计与可靠性技术相结合，选取设计变量构 造该总成或零部件的目标函数、约束函数，建立起结构优化设计的数学模型，对设计变量 进行灵敏度分析，应用计算机编程语言完成数学模型的程序化并输出优化结果。本系统对 各设计参数进行灵敏度分析，可以得出各种设计参数对结构影响的灵敏程度，帮助我们了 解哪些参数对结构可靠性的影响更大，从而有针对性地进行结构改进。本项研究为汽车设计 人员改进设计提供技术支持和理论依据，对提高产品的开发能力、缩短产品的设计周期以 及提高产品的市场竞争力将起到至关重要的作用。 1 2 汽车现代设计方法描述 随着科学技术的进步，市场竞争的加剧，要求产品的设计周期同益缩短，产品的设计 质量日益提高，传统设计已失去优势，新的设计理论，技术、工艺、材料的出现加速了传 统设计的退化，推动了现代设计方法和技术的进步。目前，产品的设计已经从传统的人工 经验的图纸设计进入到以计算机技术为主的无图纸的现代设计 现代设计是传统设计的深入，丰富和完善，它具有一些传统设计所不具有的特点：( 1 ) 1 堕塞堡三查兰竺兰丝丝兰 苎堡堡生堕坚兰! 兰堡兰墨堡垦塑鐾些篁墨墨竺型塑 以计算机技术为核心是现代设计的主要特征。计算机的飞速发展对设计产生了巨大的影响， 主要体现在：甩掉图板的“无纸设计”，由二维转变为三维。产品模型( p r o d u c tm o d e l ) ”， 有限元法、优化设计、虚拟设计等为代表的智能设计方法，实现了c a d 、c a p p 、c a m 、 c a e 体化等等。( 2 ) 以现代设计理论为指导。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用 这种方法指导设计可以减少经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准 确性 总之，现代设计既有别于传统设计，又是在传统设计的基础上，依赖计算机技术丰富 与发展起来的，而汽车设计由于其结构复杂、高新技术含量大，对现代设计的依托和需求 更大。目前常用的现代设计方法主要有逆向工程设计法、虚拟设计法、快速原型设计法、 神经网络法、模糊设计法、优化设计法等等，下面就简单介绍几种现代设计方法及其在汽 车设计中的应用。 ( 1 ) 产品的虚拟设计技术 虚拟现实技术( v r ，v i r t u a lr e a l i t y ) ，是人的想象力和电子学、计算机科学等相结合而 产生的一项综合技术，是2 0 世纪9 0 年代为科学界所关注的技术。虚拟现实是一种可以制 造和体验虚拟世界的计算机系统，虚拟世界由计算机生成，通过听、视、触觉等作用于用 户，使其产生身临其境的沉浸感、交互感，与传统的人机界面如键盘、鼠标器、图形用户 界面及流行w m d o w s 窗口等相比较，虚拟现实在技术路线上有质的飞跃虚拟设计是以虚 拟现实技术为基础，设计者在虚拟环境中进行设计。借助这样的设计手段，设计人员可以 通过多种传感器与多维信息环境进行自然地交互，用不同的交互手段在虚拟的环境中对参 数化的模型进行修改。虚拟现实技术在汽车开发与研究中得到广泛的应用。如汽车虚拟设 计、虚拟制造、汽车模拟驾驶系统、汽车性能试验方针、汽车虚拟维修等等，其前景十分 诱人，在美国、英国、日本等国家的政府部门和许多大公司中都得到特别的重视，目前我 国也在很多行业开展这方面的研究工作【2 1 。 ( 2 ) 模糊设计方法 模糊数学 3 1 是美国加利福尼亚大学控制论专家查德( l a z a d e h ) 于1 9 6 5 年首先提出 的。由于模糊数学在处理客观实际问题时既能与精确数学结合又有区别于精确数学“非此 即彼”的“亦此亦彼”的特性，因而为它的广泛应用找到了理由，也使它成为国际上目前 较为敏感的新兴学科模糊数学拓宽了经典精确数学的基础，找到了一条解决概念划分上 不确定性现象的描述方法，二者的结合使数学本身又升华了一个新的层次。 模糊理论在汽车领域的应用发展较快在模糊数学理论发展的同时，模糊技术的开发 应用也取得了显著成果目前，在汽车的制动控制系统、变速控制系统、车身弹性缓冲系 统及巡航控制系统等部件中，已经广泛地使用模糊技术，并取得显著效果。 ( 3 ) 优化设计方法 优化设计川( o p t i m a ld e s i g n ) 是从6 0 年代随着电子计算机的普遍应用而迅速发展起来 的一种现代化设计方法，它将数学规划理论、计算机技术和工程设计三者揉合在一起。它 能在一系列受诸多因素影响和制约的设计方案中，按照一定的逻辑格式，高效率地优选出 - 2 塑塞里三盔兰堡生兰垒堡苎 塞堑堡生塑皇! ! ! 壅堡堡塞堡垦塑璧垡曼矍墨墨竺窒 一个方案，即最佳方案。目前优化设计方法在结构设计、制造工艺设计等方面有广泛的应 用，而且取得了不少成果。优化设计理论和方法已应用于汽车的诸多领域中，如汽车整车 动力传动系统的优化和匹配、汽车车身c a d c a e c a m 一体化技术等，使汽车产品的性能 和水平得到提高，生产的科学管理得到加强。 1 3 关于产品开发的智能化 本课题采用的是优化设计理论，该理论已经应用多年，取得了很大成就。但优化设计 在应用中也存在一些困难，其主要困难就是如何建立正确合理的优化设计模型，建立优化 设计模型的困难在于建模过程中涉及到大量的知识，克服这一困难的最好方法就是利用计 算机辅助建模，优化设计建模的过程就是对建立者所具有的综合知识和经验进行推理和决 策的过程，其中涉及到非数据的判断和逻辑推理问题，这就需要建立一个具有准理决策机 制的专家系统以及支持专家系统的知识库。 专家系统o l 是一种智能计算机软件，是人工智能走向实用化的标志和里程碑，是人工 智能从一般思维规律探索走向专门知识利用的突破口，它把专家领域内的知识、经验和解 决问题的方法以适当的方式存在计算机中，利用推理机去控制和模仿专家解决问题。自2 0 世纪6 0 年代问世以来专家系统发展迅猛，已广泛地应用于科学技术、工业、农业、军事、 医疗、教育等众多领域，并产生了巨大的社会效益和经济效益。 1 4 汽车可靠性试验信息管理现状分析 可靠性作为一门学科发展并应用到工业上是从第二次世界大战期间( 1 9 4 0 - 1 9 4 5 ) 开 始的，美国是发展可靠性最早的国家。可靠性的发展过程大致分为四个时期：摇篮期，即 第二次世界大战期间；奠基期，从5 0 年代起到6 0 年代，这一时期，f m e a ，f t a 等方法 进入实用阶段，美国还成立了可靠性管理机构来将可靠性推广到各行各业；普及期，可靠 性工程从电子行业向其它工业部门迅速推广；成熟期，7 0 年代至今，在此时期内，日本产 品的可靠性研究工作取得了很大的成就，国际上也对日本的可靠性研究工作给予很高的评 价睁1 国外从6 0 年代起，各大汽车公司相继对计算机运用于管理骰了大量的研究工作，开 发了大量类型、功能、规模不一的可靠性信息管理系统，使他们的管理水平和产品质量都 有较大的提高比较典型的有：日本丰田公司开发的现场可靠性信息反馈系统d a s ( d y n a m i ca s s u r a n c es y s t e m ) ，该系统从汽车样机试验开始直至汽车销售商，收集尽可能 多的产品可靠性信息，定期反馈汽车的故障率及故障变化趋势，为产品的改进设计提供依 据；前西德的发动机部件可靠性数据库系统主要从事收集、处理，分析、存储和分配发动 机部件的可靠性数据；捷克的汽车可靠性信息系统( a r i s ) ，主要从事收集、存储，分析、 评估汽车产品在生产、使用及试验中的可靠性信息i 们。 国内从1 9 8 3 年开始到1 9 8 4 ，汽车行业组织了大规模的汽车可靠性试验，试验车辆数 为5 3 台，总试验里程为3 6 万k m ，结合可靠性试验展开了以。汽车可靠性考核与试验方 堕塞矍：查兰竺兰竺堕苎 塞堡堡生竺墨兰旦些壁兰矍生皇笪壁些竺矍至竺竺塑 法的研究”为中心鲍科学研究活动，并取得了初步的成果1 9 8 5 以后，汽车可靠性研究活 动继续在汽车行业各企事业部门深入开展。中国汽车工业公司通过质量监督检验，继续对 骨干企业的汽车产品可靠性进行考核。1 9 8 8 年在海南汽车试验场组织了四个轻型汽车骨干 厂的2 5 0 0 0 k m 可靠性试验，同时根据原国家机械委“关于公布机械工业第二批限期达到可 靠性指标的产品的通告”要求，中国汽车工业联合会对包括上述四个轻型车产品在内的1 2 种汽车产品进行了可靠性考核m 。 经过多年的努力，汽车产品的可靠性水平不断提高，有些单位和部门己开始运用计算 机进行可靠性管理并取得了一些成就。长春一汽集团1 9 8 8 年开发的“汽车质量管理系统” 由制造过程、整车装配、整车和整机试验、售后服务以及汽车质量档案五部分组成，投入 使用后取得了较好的效果；长春汽车研究所1 9 9 0 年开发的“汽车可靠性数据库系统”可以 用于整车的可靠往试验及质量考核数据存储、分析、运用和输出等项工作：二汽集团1 9 9 1 年研制了“汽车可靠性信息管理系统”可对汽车可靠性行使试验和使用两方面数据进行了 录入、统计、分析、查询、输出和维护；跃进汽车集团1 9 9 0 年开发了“g 4 2 7 发动机产品 质量与可靠性信息管理系统”，该系统可以对发动机产品从零件加工到合成、整机装配、试 车、试验及售后服务等阶段的质量及可靠性信息进行存储、维护、分类、统计，并首次在 国内汽车行业建立了失效案例库【6 l 。 1 5 本文的主要工作 本文收集了大量的汽车可靠性试验信息，通过多种方式对这些数据进行统计分析，得 出汽车故障发生频率较高的总成或零部件，在原有结构的基础上进行改进设计在“系统 实现原理”部分，本文采用的是优化设i 十理论及方法，讨论了该方法在汽车零部件结构设 计中的可行性：在“实现方法”部分，建立了完备合理的知识库和数据库，并采用灵敏度 分析方法确定结构设计参数对优化结果的影响程度，检验优化结果的稳定性；利用v b 与 m a t l a b 混合编程法编制系统软件本文的主要工作包括： ( 1 ) 对汽车可靠性试验方法进行了简要论述 在参阅大量文献的基础上将汽车可靠性试验按试验地点、试验条件、破坏情况和抽样 方式等进行分类并简要论述。 ( 2 ) 对汽车主要故障模式及机理进行了分析 按照国家汽车行业标准对汽车常见故障进行分类，并对汽车产生故障的主要原因及主 要故障模式的机理进行分析。 ( 3 ) 汽车故障的设计源分析 对汽车的主要故障从受力状态、设计选材、结构形式三方面进行分折，我出其设计方 面缺陷，并提出改进设计意见。 ( 4 ) 提高汽车可靠性的优化设计建模 建立数学模型是优化设计的重要环节，优化的结果是否能够很好地支持设计主要取决 于所建立的数学模型是否精确而又简洁。本文在对汽车主要结构件进行分析的基础上。应 壅塞矍三盔兰堡! ：兰堡堡兰塞堡堡生塑塑! ! ! 壅堡堕丝堡垒塑丝堡篁竺墨竺里壅 用优化设计原理对汽车可靠性试验中经常出现故障的零部件进行结构优化，以提高其可靠 性。 ( 5 ) 灵敏度分析 灵敏度分析就是要分析优化模型中起作用的约束以及参数发生变化时对最优解( 包括 目标函数和设计变量) 的影响程度。本文利用灵敏度分析法对汽车可靠性试验中故障发生频 率较高的结构总成的设计参数进行了分析，得出设计参数对结构影响的灵敏程度，为改进 设计、降低生产成本提供依据。 ( 6 ) 知识库和数据库的设计 用数据库存储可靠性试验中的各种参数信息、用知识库存储优化方法信息、优化结果 信息、故障判别信息等，采用统一建模语言( u m l ) 设计基于关系数据结构的知识库，首先 设计持久对象，然后将其映射成表。 ( 7 ) 试验信息智能化管理系统软件设计 软件编制分为系统界面编制、优化模型计算内核编制和知识库的建立。课题采用v i s u a l b a s i c 语言开发系统界面和推理机。利用m s a c c e s s 建立系统知识库，通过接口实现知识库、 推理机、操作界面的信息交互。 ( 8 ) 帮助子系统的制作 该子系统采用了q u i c k c h m 软件编制。用户可以通过该子系统的目录或索引了解汽车 可靠性试验及其可靠性优化设计的理论和方法，为操作者正确使用本系统提供基础信息。 南京理1 = 大学顾十学位论文 盘持设计的汽车可靠件试验信息智能化管理系统研究 2 汽车可靠性试验及主要故障机理分析 2 1 汽车可靠性试验概述 通过汽车可靠性试验可以暴露出汽车零部件、总成及系统的薄弱环节，掌握这些薄弱 环节的设计、制造、工艺等影响因素，采取相应的技术措施，可以达到提高产品可靠性的 目的。 汽车可靠性试验在产品研制、生产的各个阶段有着不同的目的和内容，根据目的和内， 容的不同，可靠性试验的分类也不同 ， 按试验地点可做如下分类m 】； ( 1 ) 实验室试验：在规定的可控条件下进行的可靠性验证或测定试验，其试验条件可 ， 以模拟现场条件，也可以与现场条件不同 ( 2 ) 现场试验；按照实际服务条件进行的可靠性验证或测定试验。 ( 3 ) 台架模拟试验：使实际工作状态在试验室再现的一种方法。台架模拟试验的优点 有：在条件稳定的情况下获得与实际工况相近的数据：寿命分布很容易看出；能够进行加 速或强制老化试验，并能很快地做出可靠性评价；可以对同类产品进行可靠性能比较。 可靠性试验按试验条件可做如下分类： ( 1 ) 常规寿命的可靠性试验：按照规定的使用条件，对汽车或零部件进行寿命试验。 ( 2 ) 强制老化试验：使零部件在比实际使用状态苛刻的负荷条件下_ i 作，使之在短时 间内老化，以此预估实际的可靠度。 ( 3 ) 加速寿命的可靠性试验：使试件以大于实际使用的速度连续运转，进而缩短寿命 时间，以此数据预测实际的可靠度。 加速寿命试验通常有以下3 种试验方法：设置苛刻的试验条件，促使样品加速失效， 设置的条件必须与实际情况有内在联系，在短期内预测通常使用条件下的寿命；在苛刻环 境及负荷条件下试验，确定零部件材料的安全裕度；在苛刻环境及负荷条件下。除去有缺 陷的部件和进行筛选以保证整车的可靠性水平 按破坏情况可靠性试验可做如下分类： ( 1 ) 破坏性试验：使试验样品最终被破坏或失效。 ( 2 ) 非破坏性试验：在不破坏产品的基础上获得可靠性数据。 按抽样方式可靠性试验可傲如下分类： ( 1 ) 抽样试验：从批量产品中抽取部分样品进行试验，利用试验结果，通过计算、分 析推断出该批量产品的可靠性特征量。 ( 2 1 全数试验：对于关键项目和指标进行1 0 0 的测试或检查。 南京理t 大学颂十学位论文 支持设计的汽车口i 靠性试验信鼠冒能化管理系统研究 2 2 汽车可靠性试验中主要故障模式 2 2 1 汽车主要故障模式 在进行汽车故障分析之前，先对汽车常见故障模式进行分类。故障模式是指故障的表 现形式，它是查找故障原因和进行故障分析的基础，确定故障模式有助于正确确定故障的 来源以及故障的排除措施，由于汽车是一个由众多零部件组成的复杂的系统，其中任何一 个零部件的故障都会导致系统的故障，因而汽车的故障形式是多种多样的，为了方便查询、 统计等，根据q c t 9 0 0 1 9 9 7 汽车整车产品质量检验评定方法国家汽车行业标准，将汽 车的常见故障进行分类，大致可以分为六类【9 】，具体如下： 。 表2 i 主要故障模式分类 主要故障模式表现形式诱发因素 损坏型故障模式 裂痕、裂纹、破裂、裂开、断裂，碎裂、弯坏、应力冲击、电冲击、疲 扭坏、变形过大，塑性变形、拉伤、卡死、烧劳、磨损、材质问题、 蚀、烧坏，击穿，磨料磨损、点蚀、蠕变剥腐蚀 落、短路、开路、断路、错位等等 退化型故障模式 老化、变色，变质，表面保护层脱落，侵蚀、自然磨损、老化以及环 腐蚀、正常磨损，积炭、发卡等等境诱发 松脱型故障模式 松动，脱落、脱掉，脱焊等等紧固件、焊接件出问题 失调型故障模式 间隙不适、流量不当、压力不当、电压不符、油、气、电及机械间隙 电流偏值、行程不当、晌度不适，干涉，卡滞 调整不当 等等 堵捐型故障模式 不畅、堵塞、渗油，渗水、漏油，漏水、漏气、滤气滤油装置失效、密 漏风、漏电、漏雨等等封件失效、气候环境 功能型故障模式 功能失常、性能不稳，性能下降、性能失效，有笑部分调整不当、操 启动困难、运动滞后、运动干涉、流动不畅、作不当、局部变形、装 指示失灵、参数输出不准、失调、抖动、温升配问题、设计参数不合 过高、漂移、卢不响，灯不亮、接触不良、有理、元器件质量低劣等 异响等等 其它故障模式 润滑不良、驾驶室闷热、尾气排放超标，断水、使用、维护、保养不当、 缺油、噪声振动大工作状态失调、传感器 失灵、各种原因泄漏 2 2 2 汽车故障的分级 由于汽车产品的复杂性，其所产生的故障形式、程度及其危害大小是千差万别的。汽 车是可修复产品，从社会综合效益与技术发展水平考虑，在其报废之前允许一定程度的故 障存在我们所要做的就是尽量减少或杜绝危害性大的故障，尽量降低故障发生的频率， 因此需要对汽车故障进行分级【1 0 1 目前，大多数企业采用的都是根据中华人民共和国汽车行业标准q c ，r3 4 1 9 9 2 划分的 故障级别，具体如下： 表2 2 故障分级 l 故障类别 1分类原则l 南京理丁= 大学碗十学位论文支持设计的汽车可鞋件试验惰甚智能化管理系统研究 涉及人身安全可能导致人身仂亡：引起主要总成报废造成重大 l致命故障 经济损失：不符合制动、捧放、噪声等法规要求 导致整车主要性能显著下降；造成主要零部件报坏，且不能用随车 2严重故障 工具和易损备件在短时间( 约3 0 r a i n ) 内修复 造成停驶，但不会导致主要零部件损坏，并可用随车工具和易损备 3一般故障 件或价值很低的零件在短时间( 约3 0 r a i n ) 内修复：虽未造成停驶， 但已影响正常使用，需调整和修复 不会导致停驶。尚不影响正常使用。亦不需要更换零部件。可用随 4 轻微故障 车工具在短时间( 约5 m i n ) 内轻易排除 ， 汽车的故障表现形式多种多样，如果不进行分类，对用户来说，无论是信息的录入、 添加、修改，还是按不同方式对信息进行统计分析，都会带来很大不便，在此基础上对故 障表现形式和故障危害程度进行了划分，既方便用户使用，也为软件编制和信息分析减少 了不努要的麻烦，大大提高了使用效率。 2 3 汽车主要故障表现形式 汽车是由发动机、车身、传动系、制动系、转向系、行驶系、电器设备等主要总成构 成，汽车的故障也主要是由总成中的某些零件失效引起的。下面对这些主要总成的故障表 现形式进行分析【1 1 】i 埘。 表2 3 汽车主要总成划分 序号 总成名称主要零件名称 l 发动机 缸盖、缸体，活塞、活塞环，活搴销、曲轴、轴瓦、凸轮轴、挺杆、推 杆、摇臂及摇臂轴、气门、气门弹簧、火化塞、喷油嘴、飞轮齿环 2 离合器摩擦盘、主动盘、压力弹簧、分离杠杆、分离轴承 3 变速器箱体、齿轮、轴、轴承、变速机构、同步器 4 驱动桥 齿轮、十字轴、差速器壳、半轴、轿壳、轴承、转向节臂、横拉杆，直 拉杆、球头接头 5 转向器拉杆、主销、转向市前轴、转向盘、转向轴管柱、转向侧盖、涡杆、 滚轮转向摇臂、转向器壳体 6 制动系 制动鼓或盘、摩擦片、总泵，分泵、加力器、空气压缩机 7 悬架弹簧、减震器 8 车轮轮辋、轮胎 9 车身 内外蒙皮，门窗、门窗镄矶构，玻璃升降器，座衙，空塥装置、车门开 关机构、刮水器、铰接装置 1 0 电气系统蓄电池、信号灯、仪表灯，各种组合开关 l l 仪器仪表仪表盘 发动机是汽车的主要总成，也是车辆行使动力的来源。由于发动机的结构复杂、零件 多、工作条件恶劣，因此在使用中故障也最多按发动机的结构特点，可将其常见故障分 为以下类型：曲柄连杆机构故障、配气机构故障、润滑系故障、冷却系故障以及燃油供给 系故障等 汽车传动系统主要是由离合器、变速器、万向传动装置、驱动桥等组成。其常见故障 也主要表现为这几部分的故障 离合器的主要故障有：打滑、分离不彻底、异响、抖动等 南京埋工大学硕士学位论文 支持设计的汽车可靠性试验信息智能化管理系统研究 变速器常见的故障有跳挡、乱挡、换挡困难、发响，抖杆及漏油等。这些故障的存在 使驾驶员操作困难，难以恢复正常形式，而且还可能造成机件的损坏自动变速器常见的 故障有：高挡离合器油压过低、离合器摩擦片烧蚀、强制降挡失灵及工作油液温度过高等。 驱动桥常见故障有：异响、发烫及漏油，这些故障的存在不仅使噪声增加、润滑油质 变坏，而且还会造成机件磨损加剧。 行使系在使用过程中常见的故障有：行使跑偏、低速摆振、避振器故障等 转向系常见的故障有：转向沉重、单边转向不足、方向盘发抖等。 制动系统常见的故障主要有踏板有余量，制动效果差、踏板余量小，制动不良、制动， 失效、制动拖滞，制动跑偏、制动发响等。 蓄电池是汽车的常备电源，主要提供起动能量，其常见故障有非正常自行放电、存电 量不足、电解液损耗过侠、蓄电池充不迸电、极板硫化、活性物质陀螺、内部短路等。 充电系统由发电机、调节器、蓄电池等组成，其常见故障有不充电、充电电流小、充 电电流过大、充电电流不稳定、工作中伴随噪声等。 启动系由启动开关、启动继电器、起动机、蓄电池等组成，其常见故障有起动机异响、 起动机不转动、起动机转动无力、起动机空转等。 普通点火系统由点火开关、点火线圈、分电器、火化塞、蓄电池等组成，其常见故障 主要表现为断火、缺火，火花弱和点火不正时等。 汽车照明、信号系统主要是由于电路的短路或断路、灯泡损坏造成的，反映的故障现 象一般是灯具不发光。 。 汽车仪表系统主要是指仪表盘，其主要故障现象是仪表不指示或指示不准。 2 4 汽车主要故障机理分析 汽车各部件产生的故障主要是由某些零件的失效引起的。引发汽车零件失效的因素很 多，可以归结为设计制造过程因素( 原始因素) 和运转维修过程因素( 工况使用因素) 两大方 面【1 3 l 【1 4 1 ，具体包括： ( 1 ) 设计因素 为了保证产品质量，必须精心设计，精心施工而通常制造的技术文件的根据就是设 计图纸以及设计计算说明书。设计计算的核心乃是根据所设计的机器和零件在特定工况、 结构和环境条件下可能发生的基本失效模式而建立的相应设计计算准则( 即保证在给定条 件下正常工作的准则) ，从而定出合适的材质、尺寸、结构，提出必要的技术文件，如图纸、 说明书、软件等，设计的不合理将会降低产品的使用周期，促使其产生故障和缺陷，提前 报废。 ( 2 ) 工作条件因素 零件的受力状况包括载荷的类型、载荷的性质以及载荷在零件中的应力状态。零件的 载荷若超过其允许承受的能力时，则导致零件失效然而在实际工作中，汽车零件往往不 是承受一种载荷的作用，而是同时承受几种类型载荷的复合作用绝大多数的零件都是在 q 查塞堡三盔兰竺主竺竺堡苎塞堡堡生堕苎! 里查生苎墼堕星里堡些竺堡墨竺竺壅 动应力下工作，由于汽车的起步、停车以及速度经常变化，使得零件承受着冲击、交变应 力，加剧了零件的磨损。汽车零件工作在不同介质和不同的工作温度，可能引起零件的腐 蚀磨损、磨料磨损以及热应力引起热变形、热疲劳等失效。有些工作介质也可能引起汽车 零件材料脆化、高分子材料老化等。 ( 3 ) 制造( 工艺) 因素 实际上，有很多零部件的原始设计是正确的，但由于其工艺制造条件不满足设计要求， 仍然会发生各式各样的故障而导致失效。从普通零件的制造工艺过程看，可能会产生：锻 造过程的起层、冷热裂纹，焊接过程的未焊透、异常偏析、冷热裂纹，铸造过程的疏松、 夹渣，机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合格、表面鳞翅，熟处理工艺缺陷如淬裂、 回火脆裂、硬化表层的组织缺陷、硬度不足、硬化层过薄、软硬层硬度梯度过大，精加工 磨削中的磨削裂纹等。 ( 4 ) 装配调试因素 在零部件组装成整车过程中，如不能保证要求的质量指标，即“装配不良”，也是导致 整车发生某种故障的重要因素。对于通用零件来说，其装配不良常表现为：啮合传动件的 啮合间隙不合适，接触状态未调整好：联接零件的必要“防松”不可靠，铆焊结构的必要 探伤检验不良等；润滑与密封装置不良。 ( 5 ) 材质因素 汽车的失效常与其关键零部件的材质因素有着密切关系。材质的内部缺陷实质上是其内 部应力集中源，当其在外界载荷作用下材质缺陷处呈现高应力水平而导致发生某种失效。 材质造成的失效，可能由于设计选材不当，也可能由于毛坯加工工艺或冷热加工工艺过程 产生的缺陷以及由于安装调试不当、材料未经“预炼”、“驯服”、“跑合”和检验不严而残 留下的缺陷而造成。 ( 6 ) 使用维护因素 汽车维修制度和方法是否合理先进将直接影响汽车的可靠性，如定期检修，定期保养、 润滑条件是否能够得到保证等，是引起整车和零部件故障的重要原因。而润滑条件通常包 括：润滑剂和润滑方法是否选得合适，润滑装置以及冷却、加热和过滤系统功能是否正常。 南京理t 大学碗十学位论文 支持设计的汽车可靠忭试验信息智能化管理系境研究 3 设计缺陷的故障源分析 3 1 概述 通过前面对汽车主要故障模式及其机理的分析，可以看出，设计缺陷是造成汽车故障 的主要原因之一，而设计缺陷通常可以从以下几方面来分析： ( 1 ) 受力状态 一 零件的受力状态主要包括载荷的性质、类型以及载荷在零件中的应力状态。零件的载 荷不能超过其允许承受的能力，否则就会导致零件失效。在实际的工作中，汽车零件往往 不是承受一种载荷的作用，而是同时承受几种类型的载荷的复合作用，常见的有静载荷、 动载荷、冲击载荷、交变载荷等等。当这些载荷大于其许用值时将会导致变形、断裂、一磨 损、腐蚀等的缺陷和故障 ( 2 ) 设计选材 汽车零部件使用的材料包括金属和非金属材料，金属材料包括钢材和有色金属，汽车 用的钢铁材料主要有：渗碳钢、弹簧钢、冷冲钢、铸铁、冷轧刚、高频用钢和调制钢等七 大类，有色金属包括：铝及铝合金、锌及锌舍金、铜及铜合金、镁及镁合金、铅及铅合金 等。非金属材料包括涂层、塑料、纺织品、皮革、颜料、橡胶、玻璃等。选材既要考虑到 材料的力学性能和制造工艺性，又要考虑材料在生产、使用环境中的各种性能，选材不合 适将导致零部件的性能下降或提前损坏。 ( 3 ) 结构形式 零件的结构形式包括形状、几何尺寸及孔( 槽、肋等) 的布置等，这些特征都会影响零 件的载荷分布。进而影响零件的失效形式。例如轴的台阶处过渡圆角过小，会导致应力集 中。花键、键槽、油孔、销钉孔等设计时若没有充分考虑到这些形状对截面削弱而造成的 应力集中，将会导致早期破坏。 汽车在可靠性试验过程中会发生各种形式的故障，如断裂、磨损、腐蚀、老化、变形、 泄漏和功能失调等等，由于篇幅有限，本章仅就断裂、磨损和腐蚀三种发生频率较高的故 障形式针对其设计原因进行分析，提出这几种故障形式常用的设计改进措施。 3 2 断裂的设计源分析 断裂是汽车零件中常出现的故障之一，是造成事故的重要原因断裂可能在零件静载 荷、动载荷或在材料疲劳条件下产生下面就从选材、受力状态和结构形式三方面着手分 析断裂模式的设计缺陷源。 例1 ，某型发动机曲轴断裂的形态如图3 1 所示 1 5 l ，其断裂面与曲轴拐颈轴线呈4 5 。 角，断口呈现出典型的海滩花样疲劳纹及断裂台阶特征，疲劳源位于轴颈与油道孔的倒圆 角交接处( 图中箭头所指处) 该曲轴材质为4 2 c r m o 钢，锻造后经正火、调质处理，最终 强化工艺为轴颈和圆角表面中频感应淬火。 南京理工大学硕 学位论文 支持没计的汽中町靠性试验信息智能化管理系统研究 图3 1 发动机曲轴断裂的照片 受力分析：曲轴在使用过程中主要承受复杂的弯曲扭转载荷及一定的冲击载荷， 轴颈表面还受到磨损，在轴颈与油道孔的倒圆角处表面所受的交变应力最大，由断口的特 征，得出其断裂类型为正断型扭转疲劳断裂。二 材质分析：通过检验，断裂曲轴材料的化学成分、基体调质组织及硬度、强度均合格， 其性能能够达到发动机曲轴技术条件的范围，因此该曲轴的断裂不是材质原因。 通过上面的分析，可以得出曲轴断裂的原因，即位于油道孔表面与倒圆角锥面交接处 的切削加工刀痕、金属微观损伤、毛刺和尖锐的交汇线，当曲轴表面的这些加工缺陷达到 一定程度并处于与交变的主应力面平行时便形成了疲劳源。因此从设计角度来看，可以采 取以下两种措施来减少疲劳断裂： ( 1 ) 倒圆角锥面的抛光区域应覆盖整个倒圆角锥面，尽可能地消除油道孔表面与倒圆 角锥面尖锐的交汇线i ( 2 ) 倒圆角的锥顶面应设计在油孔的中心区( 空心区) ，不应位于油孔圆角附近。 例2 ，某型发动机的机油滤清器总成支座螺栓断裂的形态如图3 2 、3 3 所示【1 6 l 。 图3 2 机油滤清器总成图3 3 螺栓断裂情况 通过对螺栓的受力分析，得知滤清器总成一、二阶共振共同作用造成螺栓的疲劳失效， 其中一阶共振对螺拴断裂的影响要低于二阶共振。因此，避免支座螺栓断裂的途径就是错 频，即：尽量避免滤清器总成在发动机转速范围内发生一阶和二阶振动，特别是二阶振动， 在修改设计方面就是提高总成的剐度，从而提高总成的固有频率。提高总成刚度的方法有： ( 1 ) 更改支座材料； ( 2 ) 减轻冷却器与滤清器的质量，并缩短冷却器与滤清器质心到支座的距离； c 3 ) 在满足结构和布置要求的条件下，在合适的位置增加连接螺栓； “) 采用疲劳强度更高的螺栓，或者增加螺栓直径； ( 5 ) 应考虑当前( 缸体上) 安装凸台位置的合理性，如果该处振动强度很大，应选择新的 安装凸台( 缸体上) 位置 南京理工大学颂士学位论文 支持垃汁的汽车口j 器件试验信息智能化管理系统研究 3 0 磨损的设计源分析 。汽车零件不能继续使用部分是由于零件配合副的表面磨损使其工作性能下降。根据有 关资料，汽车零件中有7 5 是由于磨损而报废，因此磨损是诱发汽车故障的主要因素 影响磨损的因素主要涉及到三个方面，即摩擦、磨损和润滑。摩擦是两个接触物体在 一定载荷下，发生相对运动时所产生相互作用的现象；磨损则是由于摩擦而必然导致摩擦 副材料的损失或转移的现象；而润滑则是改善摩擦状态和减轻磨损的重要对策i l 饥”j 。 磨损与摩擦副材质和磨损工况有关。摩擦副材质因素是指材料的硬度、磨粒的尺寸、 形状等。磨损工况是指所分析的摩擦系统中，摩擦表面间的作用力、载荷分布、相对运动 参数、接触持续时间、工作温度、介质与润滑条件等1 1 9 1 因此无论在设计中还是在日常的使用中，减少磨损的主要方法有： ( 1 ) 在设计中尽可能避免导致磨损的条件，使磨损的可能性降至最小； ( 2 ) 材料和表面处理的选择，应是抗磨损的或自润滑的； ( 3 ) 润滑、有效润滑系统设计，以及需要时易于接近并进行润滑的设计。 众所周知，发动机的工作环境比较恶劣，也是最经常发生磨损的部位之一，下面就以 发动机为例说明。 凸轮挺杆副及配气机构的零件是发动机中比较敏感的一部分，在实际工作中承受 着较高的冲击力，而且它们的接触形式通常是重载点接触或线接触，因此经常发生磨损现 象1 2 0 l ，为了减少凸轮挺杆副的磨损，可以从以下几个方面进行： ( 1 ) 结构设计方面措施 可采用顶置式凸轮轴，使运动正时链缩短，或者采用滚轮挺杆，傻凸轮与挺杆间的运 动为滚动而不是滚动与滑动并存。 ( 2 ) 材料选取方面措施 选择凸轮挺杆材料的原则是摩擦表面耐热性好，摩擦生热时不软化；摩擦因数小，并 有利于润滑油膜形成、保持和恢复；导热性能好，使摩擦过程中温度上升少，从而不恶化 润滑油品质。 对凸轮或挺杆一方的摩擦表面进行表面处理，可以有效地隔离金属摩擦表面，显著地 提高抗擦伤能力。石墨是一种良好的固体润滑剂，若在金相组织中加有一定量的石墨，将 会大大提高摩擦副抗擦伤能力。 此外，选材时应考虑到摩擦副表面硬度的适当匹配，凸轮硬度应略低于挺杆硬度，硬 度过大或硬度相同都会使擦伤倾向增加。 ( 3 润滑油方面措旄 从润滑油对挺杆擦伤的影响试