汽车维修工程课件：汽车可靠性理论基础

汽车维修工程

第一节汽车可靠性概述

第二节汽车故障类型及其分布规律

第五节汽车可靠性数据的采集与分析

汽车可靠性理论基础

第四节汽车可靠性设计

第三节汽车系统可靠性可靠性是指产品在规定条件下，在规定时间内完成规定功能的能力。汽车可靠性包含四个要素：汽车产品、规定使用条件、规定时间和规定功能。

（1）汽车产品：汽车产品包括整车、总成和零部件；（2）规定使用条件：规定使用条件包括工作条件、运用条件、维修条件和管理条件；（3）规定时间：规定时间是指汽车使用量的尺度可以是时间单位，也可以是行驶里程数、工作循环次数等。汽车行驶的保用期、第一期大修里程、报废期等都是重要的特征时间；（4）规定功能：规定的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，称为发生了故障或失效。一、可靠性的含义第一节汽车可靠性概述常用的可靠性评价指标主要有可靠度、失效度、故障概率密度、故障率、平均寿命、可靠寿命等。1.可靠度

汽车可靠度是指在规定条件和规定时间内，完成规定功能的概率，用R表示。例如有n个某种汽车零件在规定工作条件下和规定时间内，有r个失效，其余（n-r）仍在继续工作，那么这批零件的可靠度为

式中：F为累积故障概率、失效度或不可靠度。由曲线可以看出:在产品使用初期，可靠性最高（为1），随着时间的推移，产品的可靠度逐渐降低，直至最终完全失效。图1-1

可靠度随时间的变化曲线第一节汽车可靠性概述二、可靠性的评价指标2.失效度（又称累积故障概率）产品在规定条件下，在规定的时间内丧失规定功能的概率，记为F（t），即由于出现故障与不出现故障是两个对应的事件,故失效度和可靠度的关系可以表示为图1-2失效度随时间的变化曲线图1-3可靠度与失效度的关系曲线第一节汽车可靠性概述二、可靠性的评价指标3.故障概率密度故障概率密度是指在规定的时间间隔发生失效的概率，通常用故障概率密度函数来表示失效率的分布情况，故障概率密度函数是指失效率对时间的分布函数dF（t）/dt，记做f（t）。

若故障分布函数F（t）连续可导，则故障密度函数f（t）可有下式得出：即所以第一节汽车可靠性概述二、可靠性的评价指标4.故障率定义：故障率是指工作到t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，用λ（t）表示。故障率函数和其他函数的关系：假设在规定条件下产品的寿命为T规定的工作时间为t，其累积故障概率为F（t）故障概率密度函数为f（t），则第一节汽车可靠性概述二、可靠性的评价指标第一节汽车可靠性概述故障率函数曲线也称寿命曲线或浴盆曲线：从曲线的变化趋势可将其划分为早期故障期、偶然故障期和损耗故障期三个阶段。①早期故障期：是产品的磨合阶段。失效原因:产品本身存在缺陷；加工精度不合要求；材料存在内部缺陷；设计不完善加工工艺不当等。②偶然故障期：是产品的正常使用期。失效原因:由于各种失效因素或承受应力的随机性所以故障发生具有偶然性，用户可通过对汽车进行维护使这一时期延长。③耗损故障期失效原因：产品在长期使用后出现老化、磨损、疲劳等引起。图1-4故障率函数曲线二、可靠性的评价指标第一节汽车可靠性概述5.平均寿命平均寿命是一个标志产品平均能工作多长时间的量，它是对整批产品而言的一个指标。如果产品寿命Ｔ的故障概率密度函数为f（t），则其数学期望称为产品的平均寿命。6.可靠寿命可靠度是工作寿命t的函数用可靠度函数R（T）表示若给定时间就确定了可靠度反之若确定了可靠度即可求出相应的寿命即为可靠寿命，用tR表示。二、可靠性的评价指标汽车故障是指汽车在规定的条件和规定时间内不能完成规定功能的现象。2.汽车故障类型1）按故障模式故障模式是指由失效机理所显示出来的各种失效现象或失效状态，是故障的表现形式。汽车上常见的故障模式如下：（1）损坏形故障模式：如断裂、碎裂、开裂、点蚀、烧蚀、变形、拉伤、龟裂、压痕等；（2）退化型故障模式：如老化、变质、剥落、异常磨损；（3）松脱性故障模式：如松动、脱落；（4）失调型故障模式：如压力过高或过低、行程失调、间隙过大或过小、干涉、卡滞；（5）堵塞与渗漏型故障模式：如堵塞、气阻、漏油、漏水、漏气；（6）性能衰退型或功能失效型故障模式：如功能失效、性能衰退、公害超标、异响、过热等。第二节汽车故障类型及其分布规律一、汽车故障概念及类型2）按故障率函数特点早期故障型:

产品在使用初期故障发生的可能性很大，但随时间的延长而逐渐下降，此类故障多是由于设计、制造、管理、检验的差错及装配不佳而致。偶然故障型:

故障发生的可能性较小，一般处于正常使用期，此类故障多是由于操作疏忽、润滑不良、维护欠佳、材料隐患、工艺及结构缺陷等原因所致。耗损故障型:

这种故障一般是产品长期使用后出现老化衰竭引起的，并且故障率随时间的延长而逐渐增加，因此一般在故障率开始上升前更换或维修将要耗损的零部件，可以减少故障延长汽车的使用寿命。第二节汽车故障类型及其分布规律一、汽车故障概念及类型3）按汽车故障定性

按照汽车行业中《汽车产品质量检查评定办法》，把汽车故障分为致命故障、严重故障、一般故障和轻微故障四种，（1）致命故障：危及人身安全，引起主要总成件报废，造成重大经济损失，对周围环境造成重大损害。（2）严重故障：引起主要零部件、总成严重损坏或影响行车安全，不能用易损备件或随车工具在较短时间内排除。（3）一般故障：不影响行车安全的非主要零部件故障，可用易损备件或随车工具在较短时间内排除。（4）轻微故障：对汽车正常运行基本没有影响，不需要更换零部件，可用随车工具比较容易的排除。第二节汽车故障类型及其分布规律一、汽车故障概念及类型

汽车故障分布能很好地描述随机变量的性质，揭示失效、维修随时间变化的分布规律，能为产品可靠性评价和改进提供依据，常用的有指数分布、正态分布、对数正态分布和威布尔分布。1.指数分布

指数分布是连续型随机变量分布形式中最基本的一种，由于它计算简便，因而在可靠性工程中获得广泛应用。产品处于偶然故障期时，其故障率λ为常数，可得到指数分布的如下表达式。第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布2.正态分布

正态分布又称高斯分布，是一种最常用的连续型分布，在可靠性工程中，它对强度和应力的分布、磨损件的失效分布、可靠性设计等方面都起着重要作用。（1）正态分布的不可靠度函数：（2）正态分布的可靠度函数：第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布（3）正态分布的寿命特征值若产品的工作寿命是正态分布的随机变量，则其寿命的特征值如下:①平均寿命②方差寿命③中位寿命④可靠寿命图1-5正态分布的不可靠度函数第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布3.对数正态分布

正态分布虽然应用比较普遍，但其分布规律具有对称性特性，对数正态分布是一种不对称分布，用来描述零件寿命的一种较好的分布函数。若随机变量T的对数值lnt服从正态分布，则该随机变量T就服从对数正态分布。这里引进相关的随机变量x，因此X服从正态分布，可得第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布4.威布尔分布在汽车零部件可靠性的数据处理中，一般都采用威布尔分布，整的威布尔分布由三个参数决定，其表达式为式中：m—形状参数；t0—尺度参数；r—位置参数第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布在实际工程问题中,位置参数r常为0，故上述三参数的分布简化为两参数的分布，即：式中，形状参数m影响分布函数曲线的形状特征。当m=1时，为指数分布，当m=2时，为瑞利分布，当m=2.7-3.7时，为近似正态分布，当m=3.13时，为正态分布，在汽车零部件可靠性试验处理中，除非知道属于某种分布，一般采用威布尔分布。第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布参数m，t0，r的几何意义：（1）形状参数m：形状参数m值的大小决定f(t)和λ(t)的曲线形状，如图1-7和图1-8所示，λ(t)随时间的变化反映了产品的寿命变化规律，如图1-9。图1-7m值对f(t)的影响图1-8m值对λ(t)的影响图1-9威尔分布的失效率曲线第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布当m<1时，失效率随时间增加而递减，反映了产品早期失效过程的特征，称DFR型m=1时，失效率等于常数反映了随机失效过程的特征，即CFR型，当m>1时，失效率随时间增加而递增，反映了耗损失效过程的特征，即IER型。根据m值的大小可以判断造成该零件失效的原因。第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布（2）尺度参数t0：尺寸参数不影响曲线变化的形状和位置，只是改变曲线纵横坐标的标尺，如图1-10所示。（3）位置参数r：参数r不同时，威布尔分布的概率密度曲线形状不变，只是曲线起点的位置发生变化，参数r增大，曲线沿着横轴正方向平行移动，如图1-11所示。图1-10尺寸参数对f(t)的影响图1-11

位置参数对f(t)的影响第二节汽车故障类型及其分布规律二、汽车可靠性常用故障分布

一般将能完成某一特定功能，由若干个彼此有联系的且又能相互协调工作的单元组成的综合体，称为系统。所有组成系统的单位称为单元。系统可分为可修复系统和不可修复系统两大类。对系统进行可靠性分析时，通常使用系统功能逻辑框图来表达系统工程与单元功能间的逻辑关系，这种图用方框表示单元功能，用短线连接来表示单元与系统功能的关系，简称系统逻辑框图或系统功能图。汽车的整车系统框图如图1-12所示。图1-12

整车系统框图第三节汽车系统可靠性一、系统可靠性1.串联系统定义：若组成系统的各零件，只要有一个子系统发生故障，系统便发生故障，则该系统称为串联系统，如图1-13所示。

特点：各个子系统在可靠性框图中更换顺序，系统可靠性关系不变；任意一个子系统失效，则整个系统失效。系统可靠度Rs等于各个子系统可靠度Ri的乘积，其关系为式中：Rs—系统可靠度；R—子系统可靠度。图1-13

串联系统框图第三节汽车系统可靠性一、系统可靠性

对于可靠性系统，当故障间隔时间服从指数分布时，串联系统的故障率λs为各子系统故障率λi之和，其关系式为从以上分析可知：串联系统的可靠度总是不高于各个子系统中的最小的可靠度，系统的失效率不低于各子系统中最高的失效率。其关系式为因此，在串联系统中要尽可能避免有特别薄弱的环节。在串联系统中，零件数目越多，系统可靠度就越小。所以，从可靠性观点来说，对于一个串联系统，应尽量用较少的总成或零件来组成。同样，若系统可靠度已确定，其组成的零件越多，则对每个零件的可靠度要求也越高。第三节汽车系统可靠性一、系统可靠性

2.并联系统若组成系统的各个子系统中，只要其中还有一个子系统在起作用，就能维持整个系统完成规定功能，则称该系统为并联系统，如图1-14所示。并联系统的系统可靠度为：可见，并联系统的系统可靠度总是大于系统中任何一个子系统的可靠度。因此,并联的零件越多，系统可靠度就越大，或每个零件所要求的可靠度越低。图1-14

并联系统框图第三节汽车系统可靠性一、系统可靠性

3.混联系统

由串联子系统和并联子系统组成的系统称为混联系统，图1-15为一种常见的混联系统，为计算系统可靠度，将2和3两个子系统相连，构成并联子系统2-3，然后再与子系统1串联组成等效串联系统，如图1-16所示，对图1-15所示混联系统进行逻辑运算，则系统可靠度为：图1-15

混联系统图1-16

等效串联系统第三节汽车系统可靠性一、系统可靠性

1.定义根据系统设计所确定的汽车可靠性指标值，合理地将该指标分配于系统各组元（总成、零部件）的设计过程，称为汽车可靠性分配。2.目的和作用（1）确定汽车系统的可靠性指标；（2）确定各子系统的可靠性指标；（3）有利于加强设计部门间的联络和配合；（4）有利于增强设计者的全局观念。3.分配原则（通常可靠性分配应考虑下列原则）（1）技术水平；（2）复杂程度；（3）重要程度；（4）任务情况；（5）考虑费用、质量、尺寸等条件的约束。第三节汽车系统可靠性二、汽车系统可靠性分配

4.汽车系统可靠度分配方法（等可靠度分配法和相对失效率分配法）1）等可靠度分配法将汽车系统需要达到的可靠度水平，相等地分配到各子系统，这种分配方法称为等可靠度分配法，也称均衡分配法，该方法适用于设计初期，对各单元可靠性资料掌握很少，分配中不考虑成本、失效率、安全性等实际情况，假定各单元条件相同，包括串联系统等分配法和并联系统等分配法。特点：

优点是方法比较简单；缺点是没有考虑各子系统的重要性、成本高低、修复难易程度、现有可靠性水平等。第三节汽车系统可靠性二、汽车系统可靠性分配

以预测（即原有）失效率为依据，将分配于各子系统的（容许）失效率正比于预测（原有）失效率，这种分配方法称为相对失效率分配法，这种分配方法是根据相对失效率分配方法的原则，分配于各子系统的（容许）失效率大小，与预测失效率有很大关系，预测的失效率越大，分配给它的失效率也越大；反之亦然，可靠性很高的产品，分配的（容许）失效率也越小，这种分配方法，通常用于失效率为常数的单元组成的串联系统，单元和系统的寿命均服从指数分布，分配过程中依照失效率作分配值。2）

相对失效率分配法第三节汽车系统可靠性二、汽车系统可靠性分配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。在可靠性设计阶段，应着重抓好以下五个环节:（1）系统设计（2）详细设计（3）考核评审（4）工艺设计（5）试验反馈第四节汽车可靠性设计一、可靠性设计原理产品的设计需要遵循很多原则，可靠性设计原则如下:（1）可靠性优先（2）严格试验（3）简单化、标准化、通用化（4）可靠性增长（5）较高维修性第四节汽车可靠性设计二、可靠性设计原则与内容设计工作是保证汽车可靠性的起点和基础，为使汽车具有满意的可靠性，应重视汽车设计阶段的工作质量，汽车设计阶段的可靠性问题是至关重要的，可靠性设计包括以下内容：（1）制订系统的可靠性目标（2）可靠性指标的分配与预测（3）结构可靠性设计与验证（4）系统可靠性设计与验证（5）维修制度的设计与验证（6）耐特殊环境设计（7）外购件的选用与可靠性验证（8）工艺可靠性设计（9）运输、储存、包装的可靠性（10）用户使用中可靠性信息的搜集与可靠性改进第四节汽车可靠性设计二、可靠性设计原则与内容可靠性是用概率描述产品特性的，只有通过对全部产品的工作全过程进行长期连续观测，才能估计确定。信息量越大，估计的统计置信度越高，因此，对整个过程中的各个阶段的各种数据进行采集和分析，在可靠性管理中占有极重要的地位。1.汽车可靠性试验1）汽车可靠性试验的目的（1）对汽车及其零部件可靠性水平的评估和考核；（2）对批量产品或外加工产品进行验收；（3）对试验结果进行失效机理分析，通过试验，找出失效原因，提出改进方案，提高汽车的可靠性水平；（4）储备设计所需的资料，探索发展方向，酝酿新的设计思想，为下一轮开发新产品积累经验。第五节汽车可靠性数据的采集与分析一、汽车可靠性数据的采集2）可靠性试验分类按试验性质分为：寿命试验、临界试验、环境试验和使用试验等。寿命试验：

为确定产品寿命分布及特征值而进行的试验，它一般采用台架试验和试验场试验。临界试验：

为找出作为安全零件的弱点，进行强制性破坏试验，施以破坏性应力以证实实际使用中若发生最大应力时，零件是否具有充分的强度。环境试验：

产品在特定使用环境条件下进行的、观察环境应力的故障效果的使用试验。使用试验：

在汽车研制出来后抽样送到使用现场进行实际运行考验，只有当它基本满足使用要求之后，才能正式定型成批生产，现场试验是可靠性试验数据搜集的主要渠道。第五节汽车可靠性数据的采集与分析一、汽车可靠性数据的采集

2.使用可靠性数据的采集方法与内容1）使用可靠性数据的采集方法使用可靠性数据的采集方法要根据对象的种类和目的来定，有两种方法：①对现场人员分发报表，定期返回。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；②组织专门测定可靠性的人员进行可靠性试验，特点是费用高，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和准确。第五节汽车可靠性数据的采集与分析一、汽车可靠性数据的采集2）数据采集时应注意的事项（1）采集范围，在每一份数据的搜集报告中，产品对象范围要明确统一；（2）制定异常工作的标准，在调查开始前，要尽可能制定出明确的故障判别标准；（3）时间的记录，可靠性中所说的时间是广义的，是一个重要因素，其含义需要明确；（4）使用条件，主要包括使用场合、气候、使用工况及运转形式等；（5）维修条件，使用条件相同而维修条件不同，产品的故障率可相差两倍之多，应包括维修人员的水平、维修制度、设备条件以及修理水平等；（6）取样方法，可靠性数据应在母体中随机取样进行调查，既不要仅调查发生事故的产品。第五节汽车可靠性数据的采集与分析一、汽车可靠性数据的采集

用概率纸进行图分析时的步骤：1）整理数据

设有n个产品进行试验，到r个产品失效时中止试验，且记录下相应的失效时间：t1，t2，…tk为所测数据点数，用估计法求出累计失效概率F(ti)，i=1,2，…，k。数据列表见表1-1。倘若试验时间每次记录一个失效数，即n1＝n2＝……＝nk＝1，则

，这时表述的即为完全样本试验。第五节汽车可靠性数据的采集与分析二、汽车可靠性数据的分析2）描点把数据描在威布尔概率纸上（或其他分布的概率纸上），并且当ti值较大时，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：直线上下方的点的数目要大致相等，直线中段（即F(t)值为30%-70%）的偏差要尽可能小，若画不出直线，则表明这组数据不是来自威布尔分布。第五节汽车可靠性数据的采集与分析二、汽车可靠性数据的分析

4）图估计（1）形状参数m的图估计：由于配置直线为Y=mX-C，过坐标纸上的m（1，0）点作所配置直线的平行线，则平行线为Y=mXp-Cp=m×1-0=m，因此该平行线在Y轴上的交点值即为形状参数m的值，如图1-17所示。图1-17

形状参数m的图估计图第五节汽车可靠性数据的采集与分析二、汽车可靠性数据的分析

（2）尺度参数t0的图估计

设配置直线为Y=mX-C与Y轴的交点坐标为C(0，b)，b是配置直线在Ｙ轴的截距，b=-c=lnt0，故t0=e-c，因此，过C(0，b)点作Ｘ轴的平行线，与Ｙ轴相交点所对应Ｙ轴刻度即为C；再在Ｘ尺上找到刻度为｜C｜的点；由Ｘ尺上｜C｜点向下的垂线与t尺相交，则对应尺的刻度即为t0值(图1-18)。图1-18

尺寸参数t0的图估计第五节汽车可靠性数据的采集与分析二、汽车可靠性数据的分析

（3）特征寿命η的图

估计

累计故障概率F=63.2%对应的t坐标尺数即位η，记(a，0)为配置直线在Ｘ轴的交点，则Y=mX–C=ma-C=0，有C=ma，即m=C/a，因此，先通过配置直线与X轴的交点(a，0)作垂线，垂线在t尺上的读数即为η值，如图1-19。图1-19特征寿命η的图估计第五节汽车可靠性数据的采集与分析二、汽车可靠性数据的分析

（4）位置参数r的图估计若描点正好拟合成直线，则r=0，因为威布尔分布是以r=0制作的，若拟合成曲线，