汽车故障产生的成因课件

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0≤r/n≤1。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各种类别故障的当量故障数故障类别故障性质当量故障数一类故障致命故障

100二类故障严重故障10三类故障一般故障1四类故障轻微故障0.24.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(meantimebetweenfailure)。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

timetofailure）。6.平均维修时间平均维修时间是指汽车产品修复时间的平均值，记作MTTR(meantimetorepair)。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

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可靠性试验。

试验场试验是使汽车在高速环行路和其他多种路面，如各种石块路、比利时路、卵石路、搓板路等坏路上进行强化的加速寿命试验，以确认强度构件在使用中的安全性。此外，为确认综合的耐久可靠性，对汽车行驶的各种路面，如砂石、泥水、盐水、转弯、爬坡、高速环行路等，适当组合进行程序试验。

临界试验临界试验的目的是为了进一步找出作为安全零件的弱点。在试验时，对零件施加破坏性的应力，以检验实际使用中若产生最大应力时，零件是否具有充分的强度。如快速起步、紧急制动和急转弯等，一般认为在实际使用中是可能发生的，因此可用于确定可靠性。

环境试验环境试验是汽车产品在特定的使用条件下进行的使用试验，以观察环境应力的故障效果。如要确认汽车在高、低温度状态时的性能，需把汽车置在高温和低温试验室内进行相关可靠性试验；而尘土和泥水最容易引起轴承和液力机械装置发生故障；雨雪、高分子材料的光老化和臭氧老化等都会使汽车产品性能下降。

使用试验使用试验是在汽车产品研制出来后抽样送到使用现场进行实际运行试验。只有当它基本满足使用要求之后，才能正式定型进行批量生产。 2.汽车可靠性数据的采集

（1）可靠性数据采集的方法

数据是可靠性工程的基础，只有掌握完整的可靠性数据，才能进行可靠性的正确评定。对老产品的可靠性评定的结果，同时也是新产品的可靠性预测的依据，特别是关于故障的数据，是告之产品的薄弱环节以及如何改进的重要前提。因此要求对数据进行系统地采集、认真地研究和科学地管理。在使用阶段的车辆使用条件真实，数量又较多，因此对使用和维修阶段进行可靠性数据的采集和分析，对汽车产品设计制造水平的评价最具权威性。

可靠性数据的采集方法根据试验对象的种类和目的而定。一般有两种方法：一种是对现场人员分发报表，定期返回，其特点是费用低廉不需专门人员，但易出现数据不完整和不准确的情况；另一种是组织专门测定可靠性的人员进行可靠性试验，其缺点是费用高。但由于采集者对数据分析过程有充分的理解，选择的数据适当，能掌握重点，易发现数据的谬误，因而可保证数据的完整性和准确性。使用试验是可靠性试验数据收集的主要渠道。（2）可靠性数据采集时的注意事项

采集范围：在每一份数据的收集报告中，产品对象的范围要明确统一。

制订故障的标准：故障的判定一般以原订汽车产品的性能指标为标准，但在实际执行中往往存在用难，因为生产者、使用者和操作人员之间的看法往往不一致。因此，在调查开始前，要尽可能制订出明确的故障判别标准。

时间的记录：可靠性中所说的时间是广义的，是个重要因素，其含义需要明确。一般来说，时间主要指工作时间，有的还要考虑运输时间、储存时间和停机时间等。

使用条件：主要包括使用场合、气候、使用工况（如载荷和车速等）以及运转形式等。

维修条件：使用条件相同而维修条件不同，汽车产品的故障率可相差两倍之多，应考虑维修人员的水平、维修制度、设备条件以及修理水平等。

取样方法：可靠性数据采集应在母体中随机取样进行，既不只调查发生事故的汽车产品，也不把缺陷特大特多的排除在外。 3.汽车产品可靠性数据的分析

要判断某一汽车产品的失效类型以及当知道其分布类型后估计其分布参数等，是可靠性研究中的基本问题。在实践中，最简单可行的方法便是图分析法（或图估计法）。

图分析法的一般步骤如下：3.汽车产品可靠性数据的分析

整理数据设有n个汽车产品进行试验，到r个产品失效时中止试验，且记录下相应的失效时间t1，…，tk，k为所测数据点数。用估计求出累积失效概率F(ti)，i=1，2，…，k，把数据列表，见表3-2。失效时间tit1，t2，…，ti，…，tk失效数nin1，n2，…，ni，…，nk累积失效数rir1，r2，…，ri，…，rk累积失效概率F(ti)，，…，，…，表3-2试验数据表

若投入的试样太多，试验时间较长，则可以将测量时间划分为K个区间，且K³6。若用[T0，T1]，[T1，T2]，…，[Tk-1，Tk]分别表示测量时间区间，则在分析时取失效时间ti为相应测量时间区间的中值，即取若试验时间每次记录一个失效数，即n1=n2=…=nk=1，则3.汽车产品可靠性数据的分析

（2）描点把数据描在坐标纸上。若ti值较大，为了能在一张概率纸上描下所有点，可把坐标标尺适当放大一定倍数。

（3）配置直线当数据在坐标纸上拟合为直线时，通常是凭目力来配置一条直线，使得各点分布在这一直线附近。对配置直线的要求有：直线上下方的点子数目要大致相等，直线中段即F(t)值为30%~70%的偏差要尽可能小。当数据拟合为曲线时，应先将曲线进行直线变换，然后再进行配置。

（4）图估计主要是形状参数、尺度参数t0、特征寿命、位置参数、平均寿命、方差2=D(T)、可靠度函数R(t)和可靠寿命tR的图估计。3.1.4汽车可靠性综合评定

汽车产品可靠性的综合评价方法主要有两种，即扣分法和打分法。 1.扣分法汽车在行驶中，如发生故障，则按QC/T900-1997《汽车整车产品质量检验评定方法》规定进行故障分类，如表3-3所示，并按下式进行扣分。（3-8）

式中，Qk——可靠性行驶检验综合评定扣分数；n——样本数；rj——所有样本发生的i类故障数；qkj——每次发生i类故障的扣分数。第一类故障：致命故障，qkj=10000；第二类故障：严重故障，qkj=1000；第三类故障：一般故障，qkj=100；第四类故障：轻微故障，qkj=20。表3-3扣分法故障分类故障类别 分类原则第一类故障 致命故障 涉及人身安全，可能导致人身伤亡引起主要总成报废，造成重大经济损失不符合制动、排放和噪声等法规要求第二类故障 严重故障 导致整车主要性能显著下降造成主要零件损坏，且不能用随车工具和易损备件在短时间内（约30min）修复第三类故障 一般故障 造成停驶，但不会导致主要零件损坏，且可用随车工具和易损备件或价值很低的零件在短时间内（约30min）修复第四类故障 轻微故障 不会造成停驶，尚不影响正常使用，亦不需更换零件，可用随车工具在短时间内（约5min）轻易排除

车型里程货车轿车轻、微型中型重型微型其他1500km扣分值2100（1100）2300（1100）2500（1100）1400（750）800（400）5000km扣分值1130（600）1130（600）1130（600）730（380）400（200）1.扣分法表3-4扣分限值（合格品水平）扣分法把汽车可靠性分为两级：合格与不合格。2000年制定的扣分限值标准如表3-4所示。1.扣分法

各类故障的扣分数的确定是在统计、整理以前所做过的大量的行检、抽查、考核、统检和定型等可靠性试验的基础上，在广泛征求意见的基础上确定的。应该说这个扣分力度是比较大的，并体现了下面的原则：

不允许出现第一类故障（致命故障），因为只要出现一个第一类故障就要扣10000分，即使其他检验一分没扣（这是不可能的），假设有3辆样车参检，也要扣10000/3=3333分，整车评定难以合格；严控严重故障次数，1000分已与扣分合格限值相差不多了；绝不能轻视一般故障和轻微故障，100分和20分也会积少成多。

应该说扣分本身只是个相对的概念，没有什么具体的因果关系，但当扣分数与扣分的限值结合起来时，就变得很有实际意义了。具体扣分限值，将由汽车工业主管部门根据国产汽车产品质量状况和政府对汽车产品质量的要求，下达不同时期、不同车型的扣分合格限值。2.打分法检验对象TfmTbmBC汽车150025000.0050.174汽油机48.6650.1760.09柴油机70900.1250.115等级一等合格不合格可靠性评定分数90£Q£10075£Q<90Q<75

按照QCn29008.4-1991标准，用单项指标加权评分的方法评定汽车、发动机的可靠性水平，计算公式为：

式中，Q——汽车、发动机可靠性评定分数；

——平均首次故障里程（时间），当>Tfm，令=Tfm，km(h)；——平均故障间隔里程(时间)，当>Tbm，令D——当量故障率，计算公式见式（3-5）；B、C——计算系数（权数）。不同的检验对象，Tfm、Tbm和B、C值不同，具体规定见表3-5和表3-6。=Tbm，km(h)；表3-5汽车可靠性评定计算系数表3-6汽车可靠性检验质量等级规定任务3.2汽车零部件失效理论3.2.1汽车零部件失效的概念和模式1.汽车零部件失效的概念

汽车零部件的失效是指汽车在使用过程中，零部件逐渐丧失原有的性能或技术文件所要求的性能，从而引起汽车技术状况变差，直至不能履行规定的功能。失效不仅是指完全丧失原定功能，而且还包含功能降低以及有严重损伤和隐患、继续使用会丧失可靠性和安全性。

汽车零部件在使用的过程中，由于技术状况的变化是不可避免的，所以了解汽车零部件性能变化的进程，就能针对零部件失效的原因采取相应的措施，防止零部件的早期损坏，使汽车的技术状况尽可能处于规定的水平。

汽车零部件的失效是造成汽车故障的主要原因；同时，由于汽车是一个可修复机电产品，权衡经济、技术、成本等诸方面因索，在有效的寿命期间内，允许存在一定的故障。因此从汽车可靠性工程角度来看，首要目标是杜绝或有效地减少危害性大的故障，其次是大力降低故障发生的频率。

汽车零部件的失效分析，是研究汽车零部件丧失规定功能的原因、特征和规律；研究其失效分析技术和预防技术，其目的在于分析零部件失效的原因，找出导致失效的责任，并提出改进和预防的措施，从而提高汽车的可靠性和使用寿命。2.汽车零部件失效的模式

失效模式是指失效的表现形式。按失效模式和失效机理对失效进行分类是研究失效的重要内容之一。失效模式是失效件的宏观特征，而失效机理则是导致零部件失效的物理、化学或机械的变化原因，并依零件的种类、使用环境而异。

汽车整车的失效通常是由于某个零部件首先损坏而引起的。汽车零部件的主要失效模式则有磨损、变形、疲劳断裂、热损坏、老化以及腐蚀损坏等。

（1）磨损。包括磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损，如气缸工作表面“拉缸”，曲轴“抱轴”，齿轮表面和滚动轴承表面的麻点和凹坑等。

（2）疲劳断裂。包括高应变低周期疲劳、低应力高周期疲劳、腐蚀疲劳和热疲劳等，如曲轴断裂、齿轮轮齿折断等。

（3）腐蚀。包括化学腐蚀、电化学腐蚀和穴蚀，如湿式气缸套外壁麻点和孔穴等。

（4）变形。包括弹性变形、塑性变形，如曲轴的弯曲、扭曲，基础件（气缸体、变速器壳体和驱动桥壳等）的变形等。

（5）老化。包括龟裂、变硬，如橡胶轮胎、塑料器件的老化。

汽车零件常见的失效模式类型如表3-7所示。失效模式类型表现形式主要原因损坏型裂痕、裂纹、破裂、断裂、碎裂、开裂、弯坏、扭坏、变形过大、塑性变形、卡死、烤蚀、点蚀、烧蚀、击穿、蠕变、剥落、短路、开路、错位、压痕等应力冲击、电冲击、疲劳、磨损、材质问题、腐蚀退化型老化、变色、变质、表面保护层剥落、侵蚀、腐蚀、正常磨损、积炭、发卡等自然磨损、老化、环境诱发松脱型松旷、松动、脱落、脱焊等紧固件、焊接件出现问题失调型间隙不当、流量不当、压力不当、电压不符、电流偏值、行程失调、间隙过大过小等油、气、电及机械间隙调整不当阻漏型不畅、堵塞、气阻、漏油、漏气、漏风、漏电、漏雨、渗水、渗油等漏油、漏气、装置失效、密封件失效、气候环境功能型功能失效、性能不稳、性能下降、性能失效、启动困难、干涉、卡滞、转向过度、转向沉重、转向不回应、离合器分离不彻底、离合器分不开、制动跑偏、流动不畅、指示失灵、参数输出不准、失调、抖动、漂移、接触不良、公害超标、异响、过热等有关部分调整不当、操作不当、局部变形、装配问题、设计参数不合理、元器件质量低劣等其他润滑不良、驾驶室闷热、尾气排放超标、断水、缺油、噪声振动大使用维护不当、工作状态失调、传感器失灵、各种原因泄漏表3-7汽车常见失效模式类型和分类表3-7汽车常见失效模式类型和分类

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。造成一个汽车产品失效的原因，可能是设计不当、材料及工艺缺陷、工作条件及运行维护不当等。因此，零部件失效模式与它的结构、材料、设计、制造、储存使用、维护、修理及工作环境等因素密切相关。3.汽车零部件失效的原因

（1）汽车零部件的耗损

在汽车技术状况的变化过程中，汽车零部件失效的主要原因是汽车各机构的组成元件（包括零件）之间在工作过程中相互作用，使机构、总成、汽车的技术状况发生变化的结果。

（2）使用条件的影响

汽车行驶的道路条件、运行条件、运输条件、气候条件和使用水平等汽车使用的外部条件，都会直接地或由驾驶员通过操纵控制系统传送给汽车零件，使汽车零件产生“响应”而改变了状况；然后由汽车运行速度、燃料消耗、发动机排放、异响与振动、故障率以及配件消耗等可变参数输出，表现出汽车零件失效的状况。

运行条件的影响主要指交通流量对汽车零件运行工况的影响，如载货汽车在城市街道上的速度较郊区要降低50%以上，发动机曲轴转速反而升高35%左右；换挡次数增加2~25倍。显然，这种工况必然加速汽车零件技术状况的恶化进程。

运输条件的影响城市公共汽车经常处于频繁起步、加速、减速、制动和停车等非稳定工况下工作，很容易因配合副的润滑条件恶化，使零件的磨损加剧。

道路条件的影响道路状况和断面形状等决定了汽车及总成的工况，如载荷和速度、传递的转矩、曲轴转速、换挡次数以及道路不平所引起的动载荷等，从而决定汽车零部件和机构的磨损情况，影响汽车的工作能力。

气候条件的影响汽车所处环境的湿度大，会加快零件的腐蚀。湿度低、气候干燥、道路灰尘多，也会恶化汽车零件的工作环境，使磨损增加。环境温度适宜，故障率较低。

使用水平的影响汽车的使用水平主要取决于驾驶员的驾驶操作技术水平、汽车维修水平等。若驾驶技术不成熟、维修水平低下，极易造成汽车技术状况恶化，使汽车零部件失效。3.2.2汽车零部件失效的分析1.汽车零部件的磨损失效

（1）零件磨损的概念

零件摩擦表面的金属在相对运动过程中不断损失的现象，称为零件的磨损。磨损会使零件的形状、尺寸以及表面性质发生变化，使零件的工作性能逐渐降低。当然，磨损有时候也是有益的，如磨合。

（2）零件磨损的类型

按照零件表面破坏机理和特征的不同，磨损可分为粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损等。

粘着磨损的定义、作用机理和减轻措施见表3-8，磨料磨损的定义、作用机理和减轻措施见表3-9，疲劳磨损的定义、作用机理和减轻措施见表3-10，腐蚀磨损的定义、分类和减轻措施见表3-11。3.2.2汽车零部件失效的分析定义摩擦副相对运动时，当金属表面表面的油膜被破坏，摩擦表面间直接接触而发生粘着作用，使一个零件表面的金属转移到另一个零件表面引起的磨损表面特征擦伤、锥形坑、鱼鳞片状、麻点、沟槽作用机理零件间的微观不平，实际接触面积小，接触处承受较大的静压力，即凸起点的切向冲击力，接触点的油膜、氧化膜被破坏，纯金属直接接触，产生一定的弹性变形和塑性变形——零件间吸引力增强减轻磨损的措施选用不同的金属或互溶性小的金属以及金属与非金属材料组成摩擦副，合适的表面粗糙度，用润滑剂隔离接触表面或表面有化台物的保护膜定义摩擦表面间存在的硬质颗粒引起的磨损。这种硬质颗粒称为磨料，主要来自空气中的灰尘、润滑油中的杂质及运动过程中从零件表面脱落下来的金属颗粒表面特征刮伤、沟槽擦伤作用机理①疲劳剥落或塑性挤压：磨料夹在两摩擦表面之间，对金属表面产生集中的高应力，使零件表面产生疲劳和剥落；对塑性材料，使表面产生理性挤压现象②擦痕：混合在气体和液体中的磨料，随流体以一定的速度冲刷零件的工作表面，产生擦痕减轻磨损的措施汽车发动机采用滤清效果好的空气滤清器，经常清洗机油滤清器，增加零件的抗磨性能，提高零件表面的硬度表3-8粘着磨损的定义、机理、影响因素和减小措施

表3-9磨料磨损的定义、作用机理和减轻措施定义在突变载荷作用下，零件表层产生疲劳剥落的现象表面特征裂纹、麻点、剥落作用机理交变载荷的反复作用，使零件表层变形而疲劳，导致表层的薄弱部位先产生裂纹，同时当润滑油侵入裂纹内部时，当滚动体封闭裂纹口时，堵在裂纹里的润滑油在滚动挤压力的作用下F劈开裂纹，使裂纹扩展速度加快，裂纹扩展到定程度后，金属便从零件表层剥落下来形成点状或片状凹坑，成为疲牧劳磨损减小磨损的措施减小材料的非金属夹杂物含量；提高材料的抗断裂强度，合理的金属强化层，用粘度较高的润滑油，形状正确，降低表面粗糙度定义零件摩擦表面由于外部介质的作用，产生化学或电化学的反应而引起的磨损表面特征有反应物生成（形成膜颗粒）分类化学腐蚀磨损：金属直接于外部介质发生化学反应而引起的磨损电化学腐蚀磨损：金属在外部中发生电化学反应而引起的磨损微动磨损磨损：零件的过盈配合表面部位在交变载荷或振动的作用下所产生的磨损穴蚀：与液体相对运动的固体表面，因气泡破裂产生的局部高温及冲击高压所引起的疲劳剥落现象减轻磨损的措施改善介质条件，用合金化法增加材料的耐腐蚀性，去除残留拉应力，减小振动次数和振幅，提高硬度和选择合适的配合副，适当的润滑，表面硫化、磷化处理或镀层3.2.2汽车零部件失效的分析表3-10疲劳磨损的定义、作用机理和减小措施表3-11腐蚀磨损的定义、分类和减轻措施

（3）响汽车零件磨损的因素

磨损通常是由多种磨损形式共同作用造成的，其磨损强度与下列因素有关。

材料性质的影响不同材料由于其成分、组织和结构的不同，抵抗磨损的能力也不同，如铸铁件的耐磨性取决于碳的含量，而碳钢件的耐磨性随硬度的提高而提高。若在钢、铁中加入一定量的台金并进行适当的热处理，就可提高零件的耐磨性。

加工质量的影响零件的加工质量主要指其表面粗糙度和几何形状误差。几何形状误差过大，会使零件工作时受力不均，或产生附加载荷，使磨损加剧。表面粗糙度值过大会破坏油膜的连续性，造成零件表面凸起点的相互咬合，同时腐蚀物质更易沉积于零件表面，使腐蚀磨损加剧。

工作条件的影响工作条件是指零件工作时的润滑条件、滑动速度、单位压力和工作温度等。

充足的润滑油可以在零件表面形成良好的油膜，避免摩擦表面之间的直接接触，同时对表面具有良好的清洗作用，减轻零件的磨损。

零件相对运动速度的提高，有利于润滑油膜的形成，使磨损减轻；但运动速度过快，摩擦产生的热量来不及散去，会导致机油粘度下降、油膜变薄、承载能力降低，出现边界摩擦及干摩擦，加剧零件磨损。

零件表面上的单位压力升高，零件的磨料磨损随之增加。当零件表面载荷超过油膜承载能力时，摩擦表面间的油膜将被破坏，引起严重的粘着磨损。

零件的工作温度过高，会造成油膜变薄甚至破坏，使磨损加剧；温度过低，则会使腐蚀性介质更易凝结于零件工作表面，腐蚀磨损加剧。

（4）汽车零件磨损的规律零件的磨损是不可避免的，但不同零件的磨损都具有一定的共同规律，这种规律称为零件磨损特性，对应的曲线称为零件磨损特性曲线，见图3-3。由图3-3可以看出，零件的磨损分为三个阶段。笫一阶段：磨合期（oa段）。由于新零件和修复零件表面粗糙，工作时零件表面的凸起会划破油膜，在零件表面产生严重的划刻、粘着；另一方面，从零件表面脱落的金属和氧化物颗粒会形成严重的磨料磨损。因此，这个阶段的磨损比较快。随着磨合时间的增长，零件表面质量会逐渐提高，磨损会逐渐变慢。笫二阶段：正常磨损期（ab段）。经过磨合期后，零件表面的粗糙度变小，适油性增强、强度增大，因此零件在正常磨损期的磨损较为缓慢。笫三阶段：极限磨损期（b点以后曲线）。由于磨损的不断积累，使极限磨损期零件的配合间隙过大，油压降低，正常的润滑被破坏，零件间的相互冲击也增大，磨损急剧上升。此时如不及时进行调整或修理，将会造成事故性损坏。由上述可知，降低磨合期的磨损量，减缓正常工作期的磨损，推迟极限磨损期的来临可长延零件的使用寿命（如图3-3中虚线所示）。图3-3汽车零件的磨损特性曲线接断裂性质塑性、脆性、塑—脆性，塑性又分由纤维状断口与剪切断口按断裂路径沿晶、穿晶、混晶接断裂机理解理、韧窝、准解理、滑移分离、疲劳环境、蠕变、沿晶接应力状态静载、动载，静载分为拉伸、剪切和扭转断裂；动载分为冲击和疲劳断裂按断裂环境低温、室温、高温、腐蚀、氢脆2.汽车零部件的疲劳断裂失效（1）疲劳断裂失效的概念零件在交变应力作用下，经过较长时间工作而发生的断裂现象，称为疲劳断裂。疲劳断裂是汽车零件中常见的失效形式之一，也是危害性最大的一种失效形式。疲劳断裂的特点：疲劳条件下的破断应力低于材料的抗拉强度sb，而且低于屈服强度ss。无论塑性材料或是脆性材料做成的零件，在交变应力的作用下，一般都在疲劳裂纹扩展到一定程度后发生突然破坏，而且疲劳断裂过程在宏观形貌上没有留下明显的塑性变形。疲劳破坏的宏观断口有其独特的形貌，典型的宏观疲劳断口分为三个区域：疲劳源（或疲劳核心）、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。（2）疲劳断裂失效的分类疲劳断裂失效的分类如表3-12所示。表3-12疲劳断裂失效的分类

另外，根据零件的特点及破坏时总的应力循环次数，疲劳失效又可分为无裂纹零件的疲劳断裂失效和裂纹零件的疲劳断裂失效。在无裂纹的零件中，疲劳由裂纹形核、扩展和断裂三个过程组成，多发生在加工良好的零件如曲轴、连杆等。其应力循环次数次。在裂纹零件中，疲劳断裂由预裂纹扩展形成。多发生在各种大构件中，在汽车零件中较少发生。其应力循环次数次。2.汽车零部件的疲劳断裂失效

（3）疲劳断裂失效的机理

金属零件的疲劳断裂实质上是一个累积损伤过程，大体上由滑移、裂纹成核、微裂纹扩展、宏观裂纹扩展和最终断裂等阶段组成。

在交变载荷下，金属零件表面产生的不均匀滑移、金属内的非金属夹杂物和应力集中等均可能是产生疲劳裂纹核心的策源地。

在没有应力集中的情况下，疲劳裂纹的扩展可分为两个阶段，即滑晶阶段和穿晶阶段。在交变应力的作用下，裂纹沿着最大切应力方向（通常和主应力方向成40角）的晶面向内扩展。扩展一定距离后，改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展。裂纹成核后的扩展过程主要包括微观和宏观两个裂纹扩展阶段。

当疲劳裂纹扩展到临界尺寸时，剩余截面上的真实应力超过材料强度，零件发生瞬时断裂。它的特征与静载荷下的快速破坏区相似，出现放射区和剪切唇。脆性材料的断口呈粗糙的“晶粒”状结构或呈放射线；塑性材料的断口是有纤维状结构，在零件表面有剪切唇。（4）提高汽车零件抗疲劳断裂的途径

延缓疲劳裂纹萌生时间如采用表面滚压、喷丸和表面热处理等方法强化金属表面，控制表面的不均匀滑移；细化材料的晶粒可以提高零件的疲劳强度极限；提高金属材料的纯度，减少夹杂物；提高零件的设计水平，尽量避免应力集中等。

降低疲劳裂纹扩展的速度如打止裂孔、扩孔清除、刮磨修理等。还可以提高材料的应力强度因子。 3.汽车零部件的腐蚀失效

（1）腐蚀的概念

零件受周围介质的作用而引起的损坏称为零件的腐蚀，汽车上约有20%的零件因腐蚀而失效。金属的腐蚀是从表面开始向内部扩展的。金属腐蚀后造成金属质量损失，使金属有效面积减小或强度大大降低。

（2）腐蚀失效的分类

按照金属与介质的作用性质，腐蚀失效可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀又分为气体腐蚀和在非电解液中的腐蚀；电化学腐蚀又分为大气腐蚀、土壤腐蚀、在电解液中的腐蚀和在溶液中的腐蚀。

按照腐蚀的破坏形式，腐蚀失效可分为均匀腐蚀和局部腐蚀。均匀腐蚀是金属的腐蚀作用均匀地发生在整个金属面上，局部腐蚀是指金属的腐蚀作用仅局限在一定的区域内。局部腐蚀比均匀腐蚀的危害性大。

（3）化学腐蚀的失效机理

金属零件与介质直接发生化学作用而引起的损伤称为化学腐蚀。金属在干燥空气中的氧化、在不导电介质中的腐蚀等都属于化学腐蚀。化学腐蚀过程会在金属表面形成一层腐蚀产物膜，如铁在干燥的空气中与氧作用：4Fe+3O22Fe2O3；3Fe+2O2Fe3O4

这层膜的性质决定了化学腐蚀的速度，如果膜是完整的，强度、塑性都很好，膨胀系数和金属相近，膜与金属的粘着力强等，它就有保护金属、减缓腐蚀的作用。如铬和铬的氧化物硬度高，氧化铬膜不易磨掉，发动机活塞环镀铬后，耐腐蚀磨损的性能大大提高。 （4）电化学腐蚀的失效机理

电化学腐蚀是两个不同的金属在同一种导电溶液中形成一对电极，产生电化学反应而发生腐蚀，使充当阳极的金属被腐蚀。

电化学腐蚀的基本特点是在金属不断产生腐蚀的同时还有电流产生，如属在酸、碱、盐溶液和潮湿空气中的腐蚀等。 4.汽车零部件的变形失效

（1）变形失效的概念和作用机理

零件在使用过程中，由于载荷或内部应力的作用，使零件的尺寸和形状发生改变，这种现象称为零件的变形。变形是零件失效的一个重要原因。

零件变形失效的类型有弹性变形失效、塑性变形失效和蠕变失效。

零件在外力作用下发生弹性挠曲，其挠度超过许用值而破坏零件间相对位置精度的现象称为弹性变形失效。此时零件所受应力并未超过弹性极限，应力与应变之间的关系仍遵循胡克定律，材料弹性模量是弹性变形的失效抗力指标。

零件的工作应力超过材料的屈服极限，零件发生塑性变形而导致的失效称为塑性变形失效。

蠕变是指材料在一定的载荷或应力的作用下，随着时间的延长，变形不断增加的现象。蠕变变形失效是由于蠕变过程不断发生，产生的蠕变变形量或蠕变速度超过金属材料蠕变极限而导致的失效。

（2）零件变形失效的原因

引起零件变形失效的主要原因有残余内应力、外载荷、工作温度及修理、装配精度等因素。

零件中的残余应力没有彻底消除内应力是指零件内部存在的、与载荷无关的应力。残余内应力主要有热应力、相变应力、机加工应力和热处理应力等。采用自然时效和人工时效可以减小或消除内应力。

汽车过载或受力不均匀，造成应力的再分配零件的结构设计不当会使零件工作时承受不均衡的外载荷，造成局部过载、变形；受过大工作压力的作用，螺纹孔会产生变形。

金属材料的弹性极限随温度的升高而下降工作温度升高，金属弹性极限降低，会使零件屈服强度降低而产生变形。如气缸体的变形。

维修、装配精度低维修时定位基准选择不当或基准变形过大，不能保证机加