【正文】 ，加強(qiáng)政府與工業(yè)部門間的技術(shù)信息交流，并制定了完善的可選性設(shè)計、試驗及管理的方法和程序。 八十年代開始，可靠性一直向更深更廣的方向發(fā)展?？煽啃栽谑澜绲靡云毡閼?yīng)用和發(fā)展。綜合化是指統(tǒng)一的功能綜合設(shè)計而不是分立單元的組合疊加，以提高系統(tǒng)的信息綜合利用和資源共享能力。系統(tǒng)化是指研究對象要能構(gòu)成有機(jī)體系，發(fā)揮單個對象不能發(fā)揮的整體效能。 國內(nèi)可靠性 發(fā)展史 國內(nèi)最早開始研究機(jī)械可靠性方面 是開始與 20 世紀(jì) 80 年代?！?1983 年 3月，在北京召開了第一次《機(jī)械可靠性座談會》，由航天部質(zhì)量司何國偉總工程師做了主題報告。 198 198 1988 連續(xù)三年召開了三次機(jī)械工業(yè)部可靠性工作會議。 由于最早的可 靠性研究是先從機(jī)械開始的，所以對于汽車可靠性的研究與發(fā)展也是在此基礎(chǔ)上慢慢發(fā)展而來。因此有許多的缺點，需要專業(yè)人士進(jìn)行研究和完善。物體進(jìn)行相互摩擦后，一部分會以熱量和噪音的形式傳遞出去，同時摩擦效應(yīng)的出現(xiàn)還會使物體表面的材料逐漸的消失，這就是磨損。 磨料磨損及其工作環(huán)境 物體表面與硬質(zhì)顆粒或硬質(zhì)凸出物（包括硬金屬）相互摩擦引起表面材料損失的現(xiàn)象稱為磨料磨損；在各類磨損形式中大約占磨損總消耗的 50%；危害最為嚴(yán)重的磨損形式 。在進(jìn)氣和壓縮這兩個循環(huán)中氣缸會吸入一定數(shù)量的空氣和汽油，為之后的 工作 循環(huán)做準(zhǔn)備。如果混合物中有顆粒，那么會引起嚴(yán)重的磨損，就如 粒度為 20μ m～ 30μ m的塵埃將引起氣缸表面的嚴(yán)重磨損。干摩擦和在潤滑不良條件下工作的滑 動摩擦副容易產(chǎn)生粘著磨損，嚴(yán)重時會使摩擦副咬死。 圖 22 粘著磨損原理圖 表面疲勞磨損及其工作環(huán)境 兩接觸表面在交變接觸壓應(yīng)力的作用下，材料表面因疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。 汽車零部件的失效模式和可靠性設(shè)計 5 圖 23 齒輪表面疲勞磨損實物圖 腐蝕磨損及其工作環(huán)境 零件表面在摩擦過程中，表面金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，因而出現(xiàn)物質(zhì)損失的現(xiàn)象成為腐蝕磨損。其表現(xiàn)的狀態(tài)與介質(zhì)的性質(zhì)、介質(zhì)作用在摩擦表面上的狀態(tài)以及摩擦材料的性能有關(guān)。 氧化磨損：氧化磨損是最常見的一種磨損形式，曲軸軸頸、氣缸、活塞銷、齒輪嚙合表面、滾珠或滾柱軸承等零件都會產(chǎn)生氧化磨損。 影響因素：影 響氧化磨損的因素有滑動速度、接觸載荷、氧化膜的硬度、介質(zhì)中的含氧量、潤滑條件以及材料性能等。柴油機(jī)濕式缸套的外壁與冷卻液接觸的表面、滑動軸承在最小油膜間隙之后的油膜擴(kuò)散部分（由于負(fù)壓的存在），都可能產(chǎn)生穴蝕。氣缸套穴蝕為例，由于氣缸內(nèi)燃燒壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化，缸套在活塞側(cè)向推力的作用下，使缸套產(chǎn)生彈性變 形和高頻振動。 氫致磨損：含氫的材料在摩擦過程中，由于力學(xué)及化學(xué)作用導(dǎo)致氫的析出。氫可能來自材料本身或是環(huán)境介質(zhì)，如潤滑油和水中等。微動以三種方式對構(gòu)件造成破壞；如在微動磨損過程中，兩個表面之間的化學(xué)反應(yīng)起主要作用時，則稱微動腐蝕磨損。 通常在靜配合的軸與孔表面，某些片式摩擦離合器內(nèi)外摩擦片的結(jié)合面上，以及一些受振動影響的聯(lián)接件（如花鍵、銷、螺釘）的接合面上都可能出現(xiàn)微動磨損。更嚴(yán)重的是在微動磨損處引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致零件疲勞斷裂。是粘著磨 損、氧化磨損、磨料磨損三種磨損形式的組合。 疲勞斷裂 零件在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長時間工作而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。在汽車上，大約有 90%以上的斷裂可歸結(jié)為零件的疲勞失效。高周疲勞發(fā)生時，應(yīng)力在屈服強(qiáng)度以下，零件的壽命主要由裂紋的形核壽命控制。汽車零件一般多為低應(yīng)力高周疲勞斷裂。大體可劃分為滑移、裂紋成核、微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展、最終斷裂幾個過程。 腐蝕 零件受周圍介質(zhì)作用而引起的損壞稱為零件的腐蝕。 ： 金屬零件與介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用而引起的損傷稱為化學(xué)腐蝕。（發(fā)動機(jī)活塞環(huán)鍍鉻） ：電化學(xué)腐蝕是兩個不同的金屬在一個導(dǎo)電溶液中形成一對電極，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生腐蝕的作用，使充當(dāng)陽極的金屬被腐蝕。變形是零件失效的一個重要原因，如曲軸、離合器摩擦片、變速器中間軸與主軸。 汽車零部件的失效模式和可靠性設(shè)計 7 彈性變形失效 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)稱為彈性。 在這個過程中，材料雖然能夠恢復(fù)到原來的形狀，但是它的承載性能會降低的很快，會導(dǎo)致整個零部件在一定時間后不能使用。在這個過程中，材料不能恢復(fù)到原來的形狀，會導(dǎo)致它的承載能力變得很弱，長時間過后就不能使用了。它與 塑性變形 不同，塑性變形通常在應(yīng)力超過彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時間相當(dāng)長，它在應(yīng)力小于 彈性極限 時也能出現(xiàn)。（龜裂、變硬） 3 可靠性概念及可靠性設(shè)計方法介紹 可靠性概念 根據(jù) GB/《電工術(shù)語 可靠性與服務(wù)質(zhì)量》規(guī)定的可靠性定義：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。這一定義也使用機(jī)械產(chǎn)品。不僅如此，包括操作人員在內(nèi)的人機(jī)系統(tǒng)也可看到做是產(chǎn)品，這時系統(tǒng)里也包括了人的因素。還要注意，“產(chǎn)品”者 這 一概念還在不斷擴(kuò)大 ，計算機(jī)軟件也可以看 作 是產(chǎn)品 規(guī)定條件主要指工作環(huán)境，如壓力、溫度、濕度、鹽霧、腐蝕、輻射、沖擊、震動和噪聲等，還包括使用和維修條件、動力和載荷條件、操作工人的技術(shù)水平等。 可靠度是時間性的質(zhì)量指標(biāo)，產(chǎn)品只能在一定的時間范圍內(nèi)達(dá)到目標(biāo)可靠度，不可能永遠(yuǎn)保持目標(biāo)可靠度而不降低。時間可能是區(qū)間（ 0， t），也可能是區(qū)間（ t1,t2）。 功能通常是指產(chǎn)品的工作性能，但是可靠性工程師的工作重點不是產(chǎn)品的功能，而是產(chǎn)品的失效或者故障。對可修復(fù)產(chǎn)品，失效也稱為故障。功能有主次之分，故障有主次之分。但有時動作不穩(wěn)、性能下降或響應(yīng)緩慢 也構(gòu)成故障，例如，大型設(shè)備的保護(hù)裝置，如果響應(yīng)緩慢就會導(dǎo)致主體設(shè)備的損壞，所以在有些情況下次要的故障也是不能允許的。 概率是可以量度的， 其值在 0到 1之間，所以 0 最早的可靠性設(shè)計是在概率和統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)上建立的，直到 1939年 瑞典人威布爾為了描述材料的疲勞強(qiáng)度而提出了威布爾分布，后來成為可靠性最常用的分布之一。第二種概率設(shè)計，概率論是研究大量隨機(jī)現(xiàn)象發(fā)生的可能性和規(guī)律性的學(xué)科?？煽啃怨こ坛Ｓ玫母怕史植挤譃橐韵聨追N： 6.概率分布的確定和應(yīng)用。 除了上述幾種之外，還有 TTCP法、平均故障率法和穩(wěn)健性設(shè)計法等。由于機(jī)械產(chǎn)品的“個性”太強(qiáng)，其標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度很低，因而很難建立系統(tǒng)、分系統(tǒng)乃至設(shè)備 組件及的可靠性預(yù)計模型。 TTCP 可靠性設(shè)計方法的具體思路是分為以下幾步 。 、處理及分析。這種方法的實質(zhì)是建立個零件的基本故障率 ，然后用各種參數(shù)進(jìn)行修正。 、影響分析，找出其主要故障模式，按模式確定各零件的基本故障率 pci? ，其主要依據(jù)是制造廠商的規(guī)范和保證期中的信息及現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)，制造廠商則多以其通用的標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備為依據(jù)。 、使用和環(huán)境條件下，各零件的故障率 pci? 為 ?? n *?? (31) ， 計算它的故障率： ??? ni PCIME 1 ?? (32) TTCP 可靠性設(shè)計方法是 在設(shè)計過程中企圖在產(chǎn)品的設(shè)計階段就定量 地預(yù)測產(chǎn)品的可靠性，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，用于產(chǎn)品設(shè)計的早起階段，在確定了產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)及使用條件而又未能進(jìn)行零部件的真實試驗時是一種可行的方法。 概率設(shè)計 概率設(shè)計方法是 最基本的可靠性設(shè)計方法 ，它是應(yīng)用概率統(tǒng)計理論進(jìn)行機(jī)械零件及構(gòu)件設(shè)計的方法。概率設(shè)計方法的主要內(nèi)容是研究產(chǎn)品的故障物理和故障模型，確定產(chǎn)品的可靠性參數(shù)及指標(biāo)，合理分配產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)值，把規(guī)定的可靠度直接涉及到零件中去，進(jìn)而設(shè)計到系統(tǒng)中去。 汽車零部件的失效模式和可靠性設(shè)計 10 。 。 。 、材料等條件下，確定強(qiáng)度公式。 ，應(yīng)用干涉模型計算可靠度。 。 ，完成初步設(shè)計。 概率設(shè)計方法 相對于傳統(tǒng)的安全系數(shù)法來說，有以下幾個優(yōu)點： 方法在設(shè)計零部件 的時候，會存在一定的故 障率。 往掩蓋了對其它故障模式的考慮，而概率設(shè)計則有可能對不同的故障模式細(xì)致地加以考慮。 在運(yùn)用這個設(shè)計分析方法時，一般會和設(shè)計零部件一同進(jìn)行 ，以確保設(shè)計出來的零部件符合分析的要求。 汽車零部件的失效模式和可靠性設(shè)計 11 ，列出每個零部件明顯的和潛在的失效模式及影響。 ，找出失效原因，提出可能的預(yù)防措施。如果致命度在 和 1 之間，說明有一定危險，這時需要修改原有設(shè)計，并采取其它措施，防止發(fā)生危險。 FMEA和 FMECA表格。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的 (較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件 (如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確 的答案 ，而有限元不僅計算精度高，而且能適 應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元的概念早在幾個世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù) 值分析方法。目前有許多處理的方法，他們各有利弊。例如 ， 在正面碰撞仿真時 , 有可能在 重要 區(qū)域 (例如汽車的前部 )增加預(yù)先設(shè)定的精確度并在車輛的末尾減少精度 (如此可以減少仿真所需消耗 )； 另一個例子是模擬地球的氣候模式 , 預(yù)先設(shè)定 陸地部分的精確度高于廣闊海洋部分的精確度是非常重要的。 20 世紀(jì) 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計算有限元概念的克拉夫（ Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法 =Rayleigh Ritz法 +分片函數(shù)”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。 步驟 ： 有限元分析法基本的解題步驟如下： ：根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。顯然單元越?。ňW(wǎng)格越細(xì)）則離散域的近似程度越好，計算結(jié)果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。 ：對單元構(gòu)造一個適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣）。 對工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。總裝是在相鄰單元結(jié)點進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點處。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭代法和隨機(jī)法。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算。前置處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后置處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解 計算結(jié)果。 輪轂的組成 與參數(shù) 1. 輪輞：與輪胎裝配配合，支撐輪胎的車輪部分。 3. 輪緣：保持并支撐輪胎方向的輪輞部分。 5. 槽底：為方便輪胎裝拆，在輪輞上留有一定深度和寬度的凹坑。 輪轂的基本尺寸包括以下幾個：尺寸、寬度、 pcd與孔位、偏距和中心孔。一般在轎車上，輪轂尺寸大，輪胎扁平比高的話，在視覺上可以起到很好的張力效果，而且在車輛操控的穩(wěn)定性方面也會有所增加，但是隨之而來的就是油耗增加這樣的附加問題。 PCD與孔位 PCD的專業(yè)名稱叫節(jié)圓直徑，是指輪轂中央的固定螺栓間的直徑，一般的輪轂大多孔位是 5 顆 螺栓和 4 顆螺栓，而螺栓的距離卻也各有不同，所以我們經(jīng)?？梢月牭?4X103， ， 5X112 這樣的叫法，以 為例，就代表這顆輪轂的 PCD是 ，孔位 5顆螺栓。 汽車零部件的失效模式和可靠性設(shè)計 15 圖 41 輪轂中心孔和孔距的原理圖 偏距 英文是 Offset，俗稱 ET值，輪轂螺栓固定面與幾何中心線（輪轂橫剖面中心線）之間的距離，說得簡單些就是輪轂中間螺絲固定座與整個輪圈中心點的差值，通俗點說就 是輪轂改裝之后是向內(nèi)縮進(jìn)還是向外凸出。比如一臺車的偏距值為 40，若是換上了ET45的輪轂，在視覺上就會比原廠的輪轂更縮入輪拱內(nèi)。 汽車零部件的失效模式和可靠性設(shè)計 16 圖 42 輪轂偏距原理圖 中心孔 中心孔是用來與車輛固定連接的部分，就是輪轂中心與輪轂同心圓的位置， 這里的直徑尺寸影響到我們安裝輪轂是否可以確保輪圈幾何中心可以和輪轂幾何中心吻合 。 有限元分析三個步驟：前處理、計算求解、后處理。在這個過程中 可以用 Autodesk Inventor 軟件本身建立。最后是結(jié)果評價、檢查它的正確性。 表 43 起亞 K5輪轂的原型參數(shù) 參數(shù) 數(shù)據(jù) 尺寸 18 英寸 寬度 英寸 偏距 46 pcd 5* 中心孔 厚度 / 汽車零部件的失效模式和可靠性設(shè)計 17 輪轂有限元 分析過程 1． 模型建立完后，進(jìn)入應(yīng)力分析 選項，進(jìn)行相關(guān)的設(shè)定。 圖 44 輪轂材料選擇 汽車零部件的失效模式和可靠性設(shè)計 18 圖 45