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1、1,车 辆 可 靠 性,第5章 汽车可靠性设计,2,5.1 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。,3,5.1.2 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
2、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。,4,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
3、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。,5,5.1.3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。,6,可靠度与费用的关系,7,5.1.3.1可靠性设计的辩证思维,(2
4、)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。,8,5.1.3.1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
5、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。,9,5.1.3.1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
6、，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:市场调研、项目确立的可行性评审。图样设计完成后的评审。样机试制后的评审。性能、可靠性试验结束后的评审。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。,10,5.1.3.2 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
7、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、物理性、艺术性、舒适性。,11,5.1.3.3 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
8、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，应采用修复容易的结构、维修方式及诊断方式。,12,5.1.3.3 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
9、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。某些方面也可采用折中处理。,13,5.1.3.3 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
10、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)设计法和备件的使用。,14,5.1.3.3 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。,15,5.1.3.3 汽车可靠性设计的基本内容
11、(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。,16,5.1.3.3 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 都要有利于提高驾驶员的辨清能力。 舒适性设计 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
12、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。 色彩效果以及心理影响因素的考虑。,17,5.1.3.3 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。,18,5.2 汽车
13、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。,19,产品可靠性设计的基本假设：强度为一非负的随机变量或随机过程应力为一非负的随机变量或随机过程当应力小于强度时，产品被认为是可靠的，否则被认为失效或故障。失效仅由于应力的作用。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。,20,应力强度可靠性计算模型的三种基本形式：应力强度随机变量模型：应力和强度均为随机变量。应力强
14、度半随机过程（变量）模型：应力或强度之一为随机变量，另一个为随机过程应力强度随机过程模型：应力和强度均为随机过程。,21,5.2.2、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。（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。,22,下面要解决的三个问题,1）知道了零件的应力和强度的分布后，如何求零件的可靠度。2）一般的安全系数与可靠度意义下的安全系数的区别。3）一般机械零件设计中，应力和强度的分布怎么知道？,23,5.2.3 问题一、知道了应力和强度的分布，求零件的可靠度5.2.3 .1 特殊情况（公式法）：1） 应力和强度均为正态分布时的
15、可靠性计算,当应力S和强度均为正态分布时 ，则它们的差也是正态分布，且有,不可靠度为：,24,化成标准正态分布，令,则当y0时,令,可靠度为,25,当强度和应力的均值相等时，可靠度等于0.5,当强度均值大于应力的均值时，方差越大，可靠度越小。,讨论,26,2）当应力和强度均为对数正态分布时可靠性计算,设随机变量s和服从对数正态分布，即它们对数lns和ln服从正态分布，它们的均值和标准差分别为：,分别是lns和ln的均值和标准差，即状态分布下的均值和标准差,分别是变量S和的均值和标准差，,则他们之间具有下列关系：,27,服从正态分布,当应力和强度均为对数状态分布时，有：,则变量y的均值和标准差分
16、别为：,知道了,的均值标准差为,的,28,和正态分布一样， 化成标准正态分布。令,令,则,则有,29,5.2.3.2、概率密度函数联合积分法（一般情况）,上述两事件相互独立，同时发生的概率应当是它们的积：,即应力落在小区间ds内的可靠度为dR,30,应力落在整个区间（，）的概率R为,同理还可以推出另一个对称的公式,应力落在小区间ds内的可靠度dR为：,31,例：当压力和强度均为指数分布时,32,由于指数分布的强度和压力的均值分别为,例：当压力和强度均为指数分布时,所以可靠度为：,33,5.2.4 可靠性安全系数（问题二） （1)传统的安全系数 传统的设计以安全系数确定构件的尺寸，仅仅以强度均值
17、与应力均值之比作为安全系数，忽视了强度的波动(的变化)以及应力的波动 (s的变化)，这种设计不能确切地反映结构的可靠性。,34,（2）可靠度安全系数,用最小强度与最大应力之比表示安全系数,这样，零件失效的概率为0.130.131.6910-5,概率设计条件下的安全系数n为：（在一定可靠度下）最小的强度min与最大的应力Smax之比，即,35,假定当应力和强度均为正态分布,方差相等,且n=1时,有,36,则在强度和应力的可靠度分别为R和Rs时的安全系数nR，称为可靠度意义下的安全系数，用下式表示：,可靠度意义下的安全系数,例，当,时,37,例51 在结构件的设计中，已知强度与应力均服从正态分布，
18、二批材料强度的均值都为 =500OO MPa。由于材料内在质量有所差别，强度的标准差不同，分别为 =1000MPa 和 12000Mpa，二批材料应力的均值为S=300O0MPa,应力标准差均为主s =3000MPa。请分别计算平均安全系数和可靠度。,解：平均安全系数为： 可靠度为：,38,例5-2 某汽车零件，其强度和应力均服从正态分布，强度的均值和标准差分别为: =350N/mm2、=30 N/mm2，应力的均值和标准差分别为: =310 N/mm2、S=10 N/mm2，试计算该零件的安全系数、可靠度和“3”可靠度意义下的安全系数?,解：(1)依照传统设计的方法，其安全系数应当为,(2)
19、如果该零件按照概率设计方法，则计算可靠度得到,39,（3）“R3”可靠性含义下的安全系数：,40,5.2.4、零件的可靠度设计（问题三）,（1）、零件设计中的强度和应力分布材料的静强度分布 试验证明，一般材料的强度极限、屈服极限、延伸率和硬度等均符合正态分布。可查表得到。应力分布 取决于力和尺寸的分布 一般认为，力为正态分布，均值和方差由试验确定 而尺寸也为正态分布，均值与公称尺寸相同，标准差为公差的1/3,即：（以上假设与事实基本相符，略偏安全）,41,（2）一般函数的统计特征值,例：实心圆杆拉伸应力 齿轮齿根的弯曲应力,式中：F为力，r为圆杆半径，h为齿轮高度，b为齿轮宽度，t为齿轮厚度
20、公式中的力F、尺寸r、h、b、t都是随机变量，如果知道了这些变量的分布或统计特征值，如何求得应力s的特征值？ 一般将强度和应力都近似为正态分布或对数正态分布，这样关键是求它们的均值和标准差,42,一维随机变量的函数,略去三阶以上的小量得,43,一维随机变量的函数（续）,略去三阶以上的小量，求均值：,44,如果方差较小，再进一步略去二次项，则均值又可进一步近似为：,同样，对于均方差，取泰勒级数的前两项作为近似，则有,0,45,例 设,，已知x的均值和均方差分别为,，求函数z的均值和均方差。,解：（1）求均值,可进一步近似为（2）求均方差,46,多维随机变量的函数,则在x处展开泰勒级数得：,式中
21、R为余项,47,多维随机变量的函数的特征值,可以证明，当随机变量x1,x2,xn相互独立时，取一级近似值有,均值方差,48,例：设,则均值,49,基本函数形式的统计特征值,函数 期望 标准差,50,例5-3：,某齿轮的载荷和有关尺寸为正态分布，数据如下：载荷F(24000,1600)N，齿高h(33,1)mm，齿宽b(16,0.65)mm，齿根厚度t(19,0.9)mm，求齿根弯曲应力的均值和方差。设应力s为随机变量x（F，h，b，t）的函数,第1步 求均值：,51,例5-3续解,某齿轮的载荷和有关尺寸为正态分布，数据如下：载荷F(24000,1600)N，齿高h(33,1)mm，齿宽b(16
22、,0.65)mm，齿根厚度t(19,0.9)mm，求齿根弯曲应力的均值和方差。,第2步 求S对各个变量的偏导数均值点的值：,52,例5-3续解,第3步 应力的标准差为：,据前面的解,53,根据零件的可靠度设计零件(计算零件主要尺寸） 例5-4,零件设计的一般过程是先按经验设计（确定尺寸），再检验可靠可靠度，但也有相反的情况。例如：例5-4 设有圆形拉杆，已知受载荷均值和标准差为 材料的拉伸强度的均值和标准差为 ， 求在可靠度R0.99条件下的最小半径的,54,已知圆管受载荷均值和标准差为 材料的拉伸强度的均值和标准差为 ，求在可靠度R0.99条件下的最小半径,取公差尺寸为其名义尺寸的0.015
23、倍，即 ,同时取公差为3水平，即,拉杆断面积均值和方差 为：,（1）,（3）,（2）,解 设应力、强度和可靠度均为正态分布。 杆件的拉伸应力公式为：s=Q/A, 而A=2r2, 为求A的标准差，先要确定r的标准差,零件的可靠度设计 例5-4续解,55,零件的可靠度设计 例5-4续解,设杆件的拉伸应力的均值为：,（6）,（5）,（4）,所以有,56,零件的可靠度设计 例5-4续解,当可靠度R0.99时，查标准正态分布表可得ZR2.33， 将ZR、式（4）和式（5）等数据代入上式， 并整理得：,解方程得：,（7）,（8）,将式(8)代入式(1)得 ：,取整后得在可靠度R0.99条件下的最小半径的均
24、值和方差为,57,第5章 思考题1.汽车设计阶段的可靠性工作有哪些环节?2.在可靠性设计中应当处理好哪些辩证关系?3.汽车可靠性设计的基本内容有哪些?4.何谓人机工程方法?就人机工程方面，应当考虑哪些问题?5.就系统而言，应当考虑哪些可靠性问题?6.传统设计方法与概率设计方法的区别在什么地方?7.强度的波动因素主要有哪些?应力的波动因素有哪些?8.熟悉例题,58,第5章 结束,59,5.3 疲劳强度的可靠性设计简介（不讲）,S-N曲线（疲劳曲线）S-N-P曲线强度时间衰减曲线,60,5.4、可靠性优化设计的概念（不讲）,机械可靠性设计虽然可以确保或预测所设计的机械产品在规定的条件下和规定的使用
25、时间内完成规定的功能的概率，确保产品的可靠性指标的实现，但它不能确保产品具有最佳的工作性能和参数匹配，最小的结构尺寸和质量，最低的成本和最大的效益。因此要将可靠性设计理论和最优化技术结合起来，即采用可靠性最优化设计方法。主要内容分为以下几个部分：（1）系统可靠性的最优分配（2）以可靠度最大为目标的可靠性优化设计（3）以可靠度为约束条件的可靠性优化设计,61,以可靠度最大为目标的可靠性优化设计 （不讲）,若已知应力S和强度均为正态分布，且相互独立，要求满足的可靠度指标为 ； 为 规定总费用，设可靠度为最大时的最优解为 则可以建立如下的数学模型。目标函数： 约束条件为：,62,强度均值的成本函数；
26、 强度标准差的成本函数； 应力均值的成本函数； 应力标准差的成本函数。 当求得全域最优解后 ，把最优解代入目标函数中，求出相应的 （可靠性系数）或z，查表即可求得该约束条件下的可靠度最优解。,63,5.5 模糊可靠性概论（不讲）,过程都呈现亦此亦彼的状态，这就是事件的模糊性。在机械系统中随着科学技术的高速发展以及各种新型复杂系统的建立和工程项目的实施，常规的可靠性理论与工程实践的矛盾日益突出，迫使人们不得不对可靠性的理论基础进行反思。模糊可靠性理论和计算方法就是在这个基础上发展起来的。常规可靠性理论基本假设的不合理性：一是离散有限状态假设。在离散逻辑基础上，将系统指标的取值范围划分为若干部分，每一部分标志系统的不同性能水平，即不同的状态。如在二值逻辑中，系统只有两种状态，要么完全正常，要么完全故障。显然这种划分时不合理的，严重脱离工程实际。二是概率假设。系统可靠性行为可以完全用概率方式予以刻划。一切中介大量发生的疲劳、磨损、腐蚀和蠕变，电气设备的绝缘的老化，电子设备的参数漂移，液压系统的油污等现象都具有以上特点，即在任一时刻，系统在某种程度上是处于模糊正常状态，又在某种程度上处于模糊故障状态。,64,模糊可靠性的定义 模糊可靠性是在规定的使用条件下，在预期的使用时间内，在某种程度上保持其规定功能的能力。模糊可靠性的主要指标 模糊可靠度，模糊故障率，模糊平均寿命。,65,结束,
