車輛可靠性-第5章-汽車機械零件的可靠性設計ppt課件

1、1,車 輛 可 靠 性,第5章 汽車可靠性設計,2,5.1 汽車可靠性設計規(guī)范 5.1.1可靠性設計的含義及重要地位 汽車設計質量是保證汽車可靠性的重要環(huán)節(jié)。汽車設計階段所賦予的產品質量和可靠性水平，對汽車產品的壽命和可靠性具有根本性的影響。 所謂汽車可靠性設計，就是在汽車產品性能設計的同時，運用可靠性理論和分析方法，明確汽車系統(tǒng)可靠性的指標，進行汽車系統(tǒng)設計的一種方法。所以，汽車可靠性設計決不是掘棄以往的汽車常規(guī)設計方法，而是在常規(guī)設計基礎上，使汽車設計更趨完善、更加精確、更為科學的系統(tǒng)設計方法,3,5.1.2 汽車設計階段可靠性工作的主要環(huán)節(jié) 在可靠性設計階段，應著重抓好五個環(huán)節(jié)。 (1)

2、系統(tǒng)設計 進行科學的、合理的系統(tǒng)設計，選定目標樣車，掌握同類車型的各種試驗參數和可靠性水平，明確開發(fā)新車型的系統(tǒng)、分系統(tǒng)的可靠度要求和目標（即可靠度的預測和分配），賦予各子系統(tǒng)的容差和空間位置。 (2)詳細設計 嚴格按照系統(tǒng)要求，進行各子系統(tǒng)、零部件的詳細設計。重點把握結構、材料的選擇，應力、強度的精確計算，注意部件與整車的協(xié)調、配合,4,汽車設計階段可靠性工作的5個主要環(huán)節(jié) (3)考核評審 通過可靠性試驗、分析、研究、階段性的設計評審，考核設計方案是否合適;并及時反饋設計部門予以修訂設計。 (4)工藝設計 在設計文件中，明確零部件的質量要求和工藝規(guī)范，建立、健全質量驗收的標準，從生產角度 (

3、或外加工進貨角度)保證零部件的可靠性。 (5)試驗反饋 運用可靠性試驗數據和可靠性分析、研究的成果，及時反饋到有關設計、生產中去,5,5.1.3汽車可靠性設計的基本要求 5.1.3.1可靠性設計的辯證思維 (1)可靠性與成本的辯證關系 汽車是一個復雜的系統(tǒng)，汽車設計的方法實屬系統(tǒng)工程學的方法，對于系統(tǒng)而言，就是在有限的資源 (人力、物力、時間)條件制約下，盡可能地獲得最大的系統(tǒng)有效性。 還應考慮到質量指標、經濟指標、外觀形貌、生產和開發(fā)能力，諸如性能、成本、安全、時間、尺寸、重量以及使用、維修等方面的限制 產品的壽命不一定是越長越好,6,可靠度與費用的關系,7,5.1.3.1可靠性設計的辯證思

4、維,2)可靠性與簡單化、標準化、冗余性的辯證關系 在通常情況下，系統(tǒng)愈簡單，零部件愈少，則可靠性就愈高;愈是簡單化、 標準化，也就愈能增加互換性、更換性和易檢性，從而提高了產品的可維修性。 對某些關鍵性部件采用冗余系統(tǒng)設計 (貯備設計)，雖然增加了系統(tǒng)的復雜性，但它是提高系統(tǒng)可靠性的有效辦法。所以，簡單化、標準化與冗余系統(tǒng)的采用，要辯證地分析。 (3)可靠性與可維修性的辯證關系 汽車是可維修產品，不應單純追求產品的固有可靠性，必須重視可維修性設計，著眼于汽車的有效度,8,5.1.3.1可靠性設計的辯證思維 (4)可靠性與設計程序的辯證關系 如可靠性數據的調查、收集、預測、分配等。可靠性預測、分

5、配的工作質量如何，主要取決于數據本身的可靠性水平。為保證產品設計可靠性，可靠性設計必須依賴于完備的設計數據。 設計數據包括:準備優(yōu)選的原材料、部件的規(guī)格參數和試驗數據;重要部件和低可靠度部件的一覽表;規(guī)格說明書;故障、應力等完備的技術資料;同時還包括收集、分析現(xiàn)場試驗數據和確定反饋路線。雖然嚴格的設計程序有時顯得繁瑣，會牽制精力甚至影響開發(fā)周期，然而科學規(guī)范的設計程序是整車質量和可靠性的必要保證,9,5.1.3.1可靠性設計的辯證思維 (5)設計審查與可靠性的關系 將可能發(fā)現(xiàn)的問題解決在產品開發(fā)階段，必須在設計工作的各個階段，組織設計評審工作。故障模式及危害度分析和審定是設計開發(fā)工作計劃的重要

6、組成部分，是形成自主開發(fā)能力的一個重要環(huán)節(jié)。 主要有以下幾種評審:市場調研、項目確立的可行性評審。圖樣設計完成后的評審。樣機試制后的評審。性能、可靠性試驗結束后的評審。產品鑒定。 評審的主要目的:審查可靠性、可維修性與質量是否取得了均衡，審查費用、功能、加工性、生產效率、使用性等與設計有關的各個要素是否有不完備的地方;審查系統(tǒng)、分系統(tǒng)與零部件的匹配與協(xié)調。評審應當是有組織的、客觀的、公正的、有理論或試驗依據的,10,5.1.3.2 設計的基本要求 (1) 設計之初應力求避免已考慮到的缺陷，即使由于某種原因一時難于避免，也應從設計角度考慮容易診斷和修理。從根本上提高汽車的有效度和可靠性。 (2)

7、 設計應包括:汽車系統(tǒng)設計、可靠性分配、詳細設計以及與其相應的預測、分析、試驗和設計審查等。 (3)設計要在過去的技術積累的基礎上，提高效率。為了做好設計工作，要有計劃、有組織地積累必要的數據資料 (建立數據庫)。 (4) 必須綜合平衡可靠性、維修性、整車系統(tǒng)協(xié)調性、產品質量要求、成本費用等技術經濟要素。這些因素概括起來有:時限性、功能性、商業(yè)性、生產性、物理性、藝術性、舒適性,11,5.1.3.3 汽車可靠性設計的基本內容 (1) 從系統(tǒng)方面考慮 確定整車的可靠性數據指標 根據市場、用戶要求和使用環(huán)境，明確汽車系統(tǒng)的可靠性要求，確定預期的可靠性和可維修性指標，進行方案設計。 確定汽車的工作環(huán)

8、境 諸如汽車使用氣候條件、道路條件、載運條件等等。 確定整車的系統(tǒng)的構成及配置 諸如:動力系一電控噴射發(fā)動機、制動系一ABS裝置。 實施可靠性預測和分配 將汽車系統(tǒng)的可靠性指標分配給各個分系統(tǒng) (總成)和零部件，并對可靠性的目標值進行預測。 決定易操作性基本要求（人機可靠性） 如自動變速器、自動搖窗機、轉向器變位能力、制動助力裝置等等。 決定維修性基本要求 在維修性設計時，應采用修復容易的結構、維修方式及診斷方式,12,5.1.3.3 汽車可靠性設計的基本內容 決定安全性基本要求 如安全氣囊、制動防鎖裝置、智能化防盜裝置等等。 可靠性設計評審 有計劃地、分階段地提出可靠性評審的基本要求和基本內

9、容，發(fā)揮集體智慧和專家作用，聽取建設性評價和采取相應對策從而提高可靠性水平，使設計方案更經濟、更有效、更可行。 修改設計方案 根據可靠性試驗結果，對不合理的設計予以修改，使設計方案更加完善，這種修改往往不是一次完成的，需要多次反復，逐步提高和完善。 確定整車或零部件的運輸、包裝以及保管要求 涉及儲運裝置的設計。 各項指標的綜合平衡 不僅要考慮可靠性和維修性，同時要考慮其它質量要素，如重量、尺寸。外觀等，并把功能，成本費用包括在內，都應取得平衡，當某些方面矛盾突出時，應當以求得安全性、可靠性、耐久性為優(yōu)先。某些方面也可采用折中處理,13,5.1.3.3 汽車可靠性設計的基本內容 (2)從零部件方

10、面考慮 確定總成或零件的可靠性要求。 制定出零件可靠性一覽表。 制定出高可靠性零件一覽表。 指出可靠性不佳的零件。 確定零件壽命。 確定零件的失效率。 重要的零件采用概率設計方法。 關鍵零件的可靠性試驗計劃。 采用標準件和質量穩(wěn)定、設計成熟、制造水平高的零部件。 貯備設計:考慮采用冗余 (貯備)設計法和備件的使用,14,5.1.3.3 汽車可靠性設計的基本內容,重要零件及部件上裝設自動監(jiān)視、故障顯示、自動校正裝置。制定重要件、易損件的使用、維修方針。盡量減少調整點。進行零件的可靠性預測。確定零件報廢標準、故障模式和失效判據。進行零部件可靠性評審。制定零件包裝;運輸、貯存、使用、維修說明書,15

11、,5.1.3.3 汽車可靠性設計的基本內容 (3)從外購件方面考慮 收集外購件使用中的反饋信息，掌握外購件供應廠的設計和制造能力。 對外購件提出性能要求、可靠性要求以及相應的定量指標。 審查提供產品的工廠試驗數據(或質量保證書)資料，其中包括可靠性數據、質量指標等等。 接收提供產品的工廠編制的產品設計、使用說明書。 對確定認購的產品作入庫檢驗。 定期進行確認試驗,16,5.1.3.3 汽車可靠性設計的基本內容 (4)從人機工程方面考慮 便于駕駛員操作 具有良好的操縱性能和適宜的操作范圍。 視野、燈光、反照鏡等設計 都要有利于提高駕駛員的辨清能力。 舒適性設計 不易使駕駛員產生疲勞。 易于操作辨

12、認，防止產生誤操作 采用易于操作，使用方便、失誤動作較少的結構，設計防誤操作的裝置。 信息顯示設計 各種儀表 (里程表、轉速表、油量指示表等)、指示燈、巡航系統(tǒng)等等。 車內環(huán)境 空調、燈光、制動、噪音、振動、音響等等。 色彩效果以及心理影響因素的考慮,17,5.1.3.3 汽車可靠性設計的基本內容 (5)從汽車產品制造方面考慮 選用先進的加工設備以及工具、量具、卡具。 正確的工藝設計以及工藝流程。 材料的可靠性試驗或質量驗收試驗。 外協(xié)產品的接收試驗。 制造人員的培訓和教育。 制造過程的管理。 制定正確的操作規(guī)程。 制定正確的維修或安裝調試規(guī)程。 具備適用的維修或安裝調試設備和工具。 做好售后

13、服務。 在生產線上作在線檢查。 定期進行質量分析,18,5.2 汽車零件可靠性設計,5.2.1、應力強度干涉理論 應力與強度的概念 應力：產品的工作值，如應力、壓力、力、載荷、變形量、磨損量、溫度等，常用s表示。 強度：產品能承受這些工作值的能力，用表示。 產品的可靠度可以說成是產品的強度大于施加于該產品的應力概率,19,產品可靠性設計的基本假設： 強度為一非負的隨機變量或隨機過程 應力為一非負的隨機變量或隨機過程 當應力小于強度時，產品被認為是可靠的，否則被認為失效或故障。 失效僅由于應力的作用。 計算應力和強度的一切力學公式仍然適用，但公式中的確定量均視為隨機變量或隨機過程,20,應力強度

14、可靠性計算模型的三種基本形式： 應力強度隨機變量模型：應力和強度均為隨機變量。 應力強度半隨機過程（變量）模型：應力或強度之一為隨機變量，另一個為隨機過程 應力強度隨機過程模型：應力和強度均為隨機過程,21,5.2.2、壓力強度干涉,1）、如圖中所示的相交的區(qū)域，即干涉區(qū)域，就是產品可能發(fā)生故障的區(qū)域。 （2)、在安全系數大于1的情況下仍然會存在一定的不可靠度,22,下面要解決的三個問題,1）知道了零件的應力和強度的分布后，如何求零件的可靠度。 2）一般的安全系數與可靠度意義下的安全系數的區(qū)別。 3）一般機械零件設計中，應力和強度的分布怎么知道,23,5.2.3 問題一、知道了應力和強度的分布

15、，求零件的可靠度5.2.3 .1 特殊情況（公式法）：1） 應力和強度均為正態(tài)分布時的可靠性計算,當應力S和強度均為正態(tài)分布時 ，則它們的差也是正態(tài)分布，且有,不可靠度為,24,化成標準正態(tài)分布，令,則當y0時,令,可靠度為,25,當強度和應力的均值相等時，可靠度等于0.5,當強度均值大于應力的均值時，方差越大，可靠度越小,討論,26,2）當應力和強度均為對數正態(tài)分布時可靠性計算,設隨機變量s和服從對數正態(tài)分布，即它們對數lns和ln服從正態(tài)分布，它們的均值和標準差分別為,分別是lns和ln的均值和標準差，即狀態(tài)分布下的均值和標準差,分別是變量S和的均值和標準差,則他們之間具有下列關系,27,

16、服從正態(tài)分布,當應力和強度均為對數狀態(tài)分布時，有,則變量y的均值和標準差分別為,知道了,的均值標準差為,的,28,和正態(tài)分布一樣， 化成標準正態(tài)分布。令,令,則,則有,29,5.2.3.2、概率密度函數聯(lián)合積分法（一般情況,上述兩事件相互獨立，同時發(fā)生的概率應當是它們的積,即應力落在小區(qū)間ds內的可靠度為dR,30,應力落在整個區(qū)間（，）的概率R為,同理還可以推出另一個對稱的公式,應力落在小區(qū)間ds內的可靠度dR為,31,例：當壓力和強度均為指數分布時,32,由于指數分布的強度和壓力的均值分別為,例：當壓力和強度均為指數分布時,所以可靠度為,33,5.2.4 可靠性安全系數（問題二） （1)傳

17、統(tǒng)的安全系數 傳統(tǒng)的設計以安全系數確定構件的尺寸，僅僅以強度均值與應力均值之比作為安全系數，忽視了強度的波動(的變化)以及應力的波動 (s的變化)，這種設計不能確切地反映結構的可靠性,34,2）可靠度安全系數,用最小強度與最大應力之比表示安全系數,這樣，零件失效的概率為0.130.131.6910-5,概率設計條件下的安全系數n為：（在一定可靠度下）最小的強度min與最大的應力Smax之比，即,35,假定當應力和強度均為正態(tài)分布,方差相等,且n=1時,有,36,則在強度和應力的可靠度分別為R和Rs時的安全系數nR，稱為可靠度意義下的安全系數，用下式表示,可靠度意義下的安全系數,例，當,時,37

18、,例51 在結構件的設計中，已知強度與應力均服從正態(tài)分布，二批材料強度的均值都為 =500OO MPa。由于材料內在質量有所差別，強度的標準差不同，分別為 =1000MPa 和 12000Mpa，二批材料應力的均值為S=300O0MPa,應力標準差均為主s =3000MPa。請分別計算平均安全系數和可靠度,解：平均安全系數為： 可靠度為,38,例5-2 某汽車零件，其強度和應力均服從正態(tài)分布，強度的均值和標準差分別為: =350N/mm2、=30 N/mm2，應力的均值和標準差分別為: =310 N/mm2、S=10 N/mm2，試計算該零件的安全系數、可靠度和“3”可靠度意義下的安全系數,解

19、：(1)依照傳統(tǒng)設計的方法，其安全系數應當為,2)如果該零件按照概率設計方法，則計算可靠度得到,39,3）“R3”可靠性含義下的安全系數,40,5.2.4、零件的可靠度設計（問題三,1）、零件設計中的強度和應力分布 材料的靜強度分布 試驗證明，一般材料的強度極限、屈服極限、延伸率和硬度等均符合正態(tài)分布。可查表得到。 應力分布 取決于力和尺寸的分布 一般認為，力為正態(tài)分布，均值和方差由試驗確定 而尺寸也為正態(tài)分布，均值與公稱尺寸相同，標準差為公差的1/3,即： （以上假設與事實基本相符，略偏安全,41,2）一般函數的統(tǒng)計特征值,例：實心圓桿拉伸應力 齒輪齒根的彎曲應力,式中：F為力，r為圓桿半徑

20、，h為齒輪高度，b為齒輪寬度，t為齒輪厚度 公式中的力F、尺寸r、h、b、t都是隨機變量，如果知道了這些變量的分布或統(tǒng)計特征值，如何求得應力s的特征值？ 一般將強度和應力都近似為正態(tài)分布或對數正態(tài)分布，這樣關鍵是求它們的均值和標準差,42,一維隨機變量的函數,略去三階以上的小量得,43,一維隨機變量的函數（續(xù),略去三階以上的小量，求均值,44,如果方差較小，再進一步略去二次項，則均值又可進一步近似為,同樣，對于均方差，取泰勒級數的前兩項作為近似，則有,0,45,例 設,已知x的均值和均方差分別為,求函數z的均值和均方差,解：（1）求均值,可進一步近似為 （2）求均方差,46,多維隨機變量的函數

21、,則在x處展開泰勒級數得,式中 R為余項,47,多維隨機變量的函數的特征值,可以證明，當隨機變量x1,x2,xn相互獨立時，取一級近似值有,均值 方差,48,例：設,則均值,49,基本函數形式的統(tǒng)計特征值,函數 期望 標準差,50,例5-3,某齒輪的載荷和有關尺寸為正態(tài)分布，數據如下：載荷F(24000,1600)N，齒高h(33,1)mm，齒寬b(16,0.65)mm，齒根厚度t(19,0.9)mm，求齒根彎曲應力的均值和方差。 設應力s為隨機變量x（F，h，b，t）的函數,第1步 求均值,51,例5-3續(xù)解,某齒輪的載荷和有關尺寸為正態(tài)分布，數據如下：載荷F(24000,1600)N，齒高

22、h(33,1)mm，齒寬b(16,0.65)mm，齒根厚度t(19,0.9)mm，求齒根彎曲應力的均值和方差,第2步 求S對各個變量的偏導數均值點的值,52,例5-3續(xù)解,第3步 應力的標準差為,據前面的解,53,根據零件的可靠度設計零件(計算零件主要尺寸） 例5-4,零件設計的一般過程是先按經驗設計（確定尺寸），再檢驗可靠可靠度，但也有相反的情況。例如： 例5-4 設有圓形拉桿，已知受載荷均值和標準差為 材料的拉伸強度的均值和標準差為 ， 求在可靠度R0.99條件下的最小半徑的,54,已知圓管受載荷均值和標準差為 材料的拉伸強度的均值和標準差為 ，求在可靠度R0.99條件下的最小半徑,取公差

23、尺寸為其名義尺寸的0.015倍，即 ,同時取公差為3水平，即,拉桿斷面積均值和方差 為,1,3,2,解 設應力、強度和可靠度均為正態(tài)分布。 桿件的拉伸應力公式為：s=Q/A, 而A=2r2, 為求A的標準差，先要確定r的標準差,零件的可靠度設計 例5-4續(xù)解,55,零件的可靠度設計 例5-4續(xù)解,設桿件的拉伸應力的均值為,6,5,4,所以有,56,零件的可靠度設計 例5-4續(xù)解,當可靠度R0.99時，查標準正態(tài)分布表可得ZR2.33， 將ZR、式（4）和式（5）等數據代入上式， 并整理得,解方程得,7,8,將式(8)代入式(1)得,取整后得在可靠度R0.99條件下的最小半徑的均值和方差為,57

24、,第5章 思考題 1.汽車設計階段的可靠性工作有哪些環(huán)節(jié)? 2.在可靠性設計中應當處理好哪些辯證關系? 3.汽車可靠性設計的基本內容有哪些? 4.何謂人機工程方法?就人機工程方面，應當考慮哪些問題? 5.就系統(tǒng)而言，應當考慮哪些可靠性問題? 6.傳統(tǒng)設計方法與概率設計方法的區(qū)別在什么地方? 7.強度的波動因素主要有哪些?應力的波動因素有哪些? 8.熟悉例題,58,第5章 結束,59,5.3 疲勞強度的可靠性設計簡介（不講,S-N曲線（疲勞曲線） S-N-P曲線 強度時間衰減曲線,60,5.4、可靠性優(yōu)化設計的概念（不講,機械可靠性設計雖然可以確?；蝾A測所設計的機械產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的使用時間內完成規(guī)定的功能的概率，確保產品的可靠性指標的實現(xiàn)，但它不能確保產品具有最佳的工作性能和參數匹配，最小的結構尺寸和質量，最低的成本和最大的效益。因此要將可靠性設計理論和最優(yōu)化