車輛維修工程第一章汽車可靠性理論基礎

1、汽車維修工程汽車維修工程北北 京京 科科 技技 大大 學學主主 講講 人人 : 王王 晶晶 第一章第一章 汽車可靠性理論基礎汽車可靠性理論基礎第一節(jié)第一節(jié) 汽車可靠性概述汽車可靠性概述 一、可靠性歷史一、可靠性歷史 人類從制造最簡單的工具開始，就知道工具應該耐用、人類從制造最簡單的工具開始，就知道工具應該耐用、少出毛病，即使有毛病也要易修的道理，這就是可靠性最初少出毛病，即使有毛病也要易修的道理，這就是可靠性最初的概念；但是可靠性發(fā)展成一門學科并應用到工業(yè)生產(chǎn)上，的概念；但是可靠性發(fā)展成一門學科并應用到工業(yè)生產(chǎn)上，還是近代的事，其歷史大約可以追溯到還是近代的事，其歷史大約可以追溯到40多年前，

2、它的發(fā)展多年前，它的發(fā)展基本上可分為四個時期基本上可分為四個時期: -搖籃期搖籃期 -奠基期奠基期 -普及期普及期 -成熟期成熟期 二、可靠性定義二、可靠性定義 目前，世界上公認的可靠性定義為：目前，世界上公認的可靠性定義為：v產(chǎn)品在規(guī)定條件下，在規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力產(chǎn)品在規(guī)定條件下，在規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力(四要素：四要素：產(chǎn)品、產(chǎn)品、條件、時間、功能條件、時間、功能)。v對汽車而言，其對汽車而言，其產(chǎn)品包括產(chǎn)品包括：整車、部件、零件，它們都是可靠性研究的：整車、部件、零件，它們都是可靠性研究的對象。對象。v規(guī)定條件：規(guī)定條件：汽車產(chǎn)品的工作條件，包括氣候、道路等的環(huán)境條件

3、；載荷汽車產(chǎn)品的工作條件，包括氣候、道路等的環(huán)境條件；載荷性質(zhì)、種類、行駛速度等的運行條件；維修方式、水平、制度等的維修性質(zhì)、種類、行駛速度等的運行條件；維修方式、水平、制度等的維修條件。條件。v規(guī)定時間：規(guī)定時間：汽車行駛的保用期、第一次大修里程、報廢期等。它們可以汽車行駛的保用期、第一次大修里程、報廢期等。它們可以用時間單位表示，也可用行駛里程數(shù)表示。用時間單位表示，也可用行駛里程數(shù)表示。v規(guī)定功能：規(guī)定功能：設計任務書、使用說明書、訂貨合同以及國家標準規(guī)定的各設計任務書、使用說明書、訂貨合同以及國家標準規(guī)定的各種功能和要求。不能完成規(guī)定功能的就是不可靠，稱之為發(fā)生了故障或種功能和要求。不

4、能完成規(guī)定功能的就是不可靠，稱之為發(fā)生了故障或失效。失效。三、可靠性的衡量指標三、可靠性的衡量指標 v汽車可靠性是汽車所具有的壽命質(zhì)量方面的一種能汽車可靠性是汽車所具有的壽命質(zhì)量方面的一種能力。它可以從不同角度、用不同的評價指標來描述，力。它可以從不同角度、用不同的評價指標來描述，常用的可靠性評價指標如下常用的可靠性評價指標如下 : 1可靠度可靠度 產(chǎn)品產(chǎn)品(此處指汽車，以下同此處指汽車，以下同)在規(guī)定條在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，的可靠度，用的可靠度，用R(t)表示。若事件表示。若事件A，其概，其概率為率為P(A)，則，則 R(t)=P(A

5、) 0P(A)12失效度失效度 稱為產(chǎn)品失效度又稱累積故障概率，也稱不可靠度，是指稱為產(chǎn)品失效度又稱累積故障概率，也稱不可靠度，是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下，在規(guī)定時間內(nèi)喪失規(guī)定功能的概率，記為產(chǎn)品在規(guī)定條件下，在規(guī)定時間內(nèi)喪失規(guī)定功能的概率，記為F(t)。由于出現(xiàn)故障與不出現(xiàn)故障是兩個對應的事件，故由于出現(xiàn)故障與不出現(xiàn)故障是兩個對應的事件，故 R(t)+F(t)=13故障概率密度函數(shù)故障概率密度函數(shù) v失效率對時間的分布函數(shù)，即失效率對時間的分布函數(shù)，即dF(t)dt，稱為故障概率密度函數(shù)，記做，稱為故障概率密度函數(shù)，記做f(t)。這是由于產(chǎn)品發(fā)生失效是隨機的，對于不同產(chǎn)品和不同的工作條件，。這是由

6、于產(chǎn)品發(fā)生失效是隨機的，對于不同產(chǎn)品和不同的工作條件，壽命壽命T不同，須用故障概率密度函數(shù)來表示失效率的分布情況，即不同，須用故障概率密度函數(shù)來表示失效率的分布情況，即 ()1()()()dFtdRtdRtf tdtdtdt0( )( )tF tf t dt0() 1()( )tRtf tdtf xdt 4. 故障率函數(shù)故障率函數(shù) (1)概念概念 故障率函數(shù)也稱失效率函數(shù)，是指產(chǎn)品到故障率函數(shù)也稱失效率函數(shù)，是指產(chǎn)品到t時刻為止未時刻為止未發(fā)生故障，在該時刻后發(fā)生故障的概率，用發(fā)生故障，在該時刻后發(fā)生故障的概率，用(t)表示，可以表示，可以表述產(chǎn)品在整個壽命期內(nèi)出現(xiàn)故障的可能性。表述產(chǎn)品在整個

7、壽命期內(nèi)出現(xiàn)故障的可能性。v已知已知T壽命，用壽命，用Tt表示表示“產(chǎn)品工作到產(chǎn)品工作到t尚未發(fā)生故障尚未發(fā)生故障”事件；事件；用用tTt) 再除以再除以t，則得，則得t時間內(nèi)的平均故障率。時間內(nèi)的平均故障率。 當當t趨于趨于O時，就可得到時，就可得到t時刻的失效率，即時刻的失效率，即 0(/)() limtpt T tt T ttt （2）故障函數(shù)和其他函數(shù)的關系故障函數(shù)和其他函數(shù)的關系 1）與失效分布密度函數(shù)的關系）與失效分布密度函數(shù)的關系2）與可靠度函數(shù)的關系）與可靠度函數(shù)的關系3）與失效概率函數(shù)的關系）與失效概率函數(shù)的關系0( )( )exp( ) )tf ttt dt0( )( )/

8、 ( )exp( ) )tR tf ttt dt0() 1() 1 exp() )tFtRtt dt (3)故障率函數(shù)曲線故障率函數(shù)曲線 故障率函數(shù)曲線也稱壽命曲線或故障率函數(shù)曲線也稱壽命曲線或浴盆曲線浴盆曲線(圖圖13)，描述了失效率隨時間而變化的，描述了失效率隨時間而變化的規(guī)律。由于該曲線如同浴盆，故稱為浴盆曲線。從規(guī)律。由于該曲線如同浴盆，故稱為浴盆曲線。從曲線的變化趨勢來看，可將失效曲線劃分為三個階曲線的變化趨勢來看，可將失效曲線劃分為三個階段，即失效的二個時期。段，即失效的二個時期。 失效曲線劃分的三階段失效曲線劃分的三階段 -早期失效期早期失效期(DFR：Decreasing Fa

9、ilure Rate) 基本特征：開始失效率較高，隨時間推移，失效率逐漸降低?；咎卣鳎洪_始失效率較高，隨時間推移，失效率逐漸降低。 -偶然失效期偶然失效期(CFR：Constant Failure Rate) 基本特征：失效率基本特征：失效率 (t)近似等于常數(shù)，失效率低且性能穩(wěn)定。近似等于常數(shù)，失效率低且性能穩(wěn)定。 -耗損失效期耗損失效期(IIR：Increasing Failure Rate) 基本特征：隨著時間的增長，失效率急劇加大?；咎卣鳎弘S著時間的增長，失效率急劇加大。 5.平均壽命與可靠壽命平均壽命與可靠壽命 1)平均壽命平均壽命 這是一個標志產(chǎn)品平均能工作多長時間這是一個標志

10、產(chǎn)品平均能工作多長時間的量，是對整批產(chǎn)品而言的一個指標。的量，是對整批產(chǎn)品而言的一個指標。 對于可維修產(chǎn)品，對于可維修產(chǎn)品，是指產(chǎn)品的平均無故障工作時間，是指產(chǎn)品的平均無故障工作時間，記為記為MTBF(Mean Time between failure)； 對于不可維修產(chǎn)品，對于不可維修產(chǎn)品，是指產(chǎn)品的平均壽終時間，記是指產(chǎn)品的平均壽終時間，記為為MTTF(Mean time to failure). 2)可靠壽命可靠壽命 由可靠度函數(shù)由可靠度函數(shù)R(t)知，若給定時間知，若給定時間t就確就確定了可靠度。定了可靠度。第二節(jié)第二節(jié) 汽車故障類型及故障分布規(guī)律汽車故障類型及故障分布規(guī)律 一、汽車故

11、障概念及類型一、汽車故障概念及類型v1.概念概念 汽車故障足指汽車在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，不能完成規(guī)汽車故障足指汽車在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，不能完成規(guī)定功能的現(xiàn)象。定功能的現(xiàn)象。v2.模式模式 故障模式是指故障的表現(xiàn)形式，有如下幾種故障模式是指故障的表現(xiàn)形式，有如下幾種 1)損壞型故障模式，如斷裂、碎裂、開裂、點蝕、燒蝕、變損壞型故障模式，如斷裂、碎裂、開裂、點蝕、燒蝕、變形、拉傷、龜裂以及壓痕等。形、拉傷、龜裂以及壓痕等。 2)退化型故障模式，如老化、變質(zhì)、剝落以及異常磨損等。退化型故障模式，如老化、變質(zhì)、剝落以及異常磨損等。 3)松脫型故障模式，如松動、干涉以及卡滯等。松脫型故障模式，

12、如松動、干涉以及卡滯等。 5)堵塞與滲漏型故障模式，如堵塞、氣阻、漏油、漏水以及堵塞與滲漏型故障模式，如堵塞、氣阻、漏油、漏水以及 漏氣等。漏氣等。 6)性能衰退型或功能失效型故障模式，如功能失效、性能衰性能衰退型或功能失效型故障模式，如功能失效、性能衰退、公害超標、異響以及過熱等。退、公害超標、異響以及過熱等。 3.故障分類故障分類 (1)按照故障率函數(shù)特點，可把故障分為三種類型：按照故障率函數(shù)特點，可把故障分為三種類型： 早期故障型早期故障型 偶然故障型偶然故障型 耗損故障型耗損故障型 (2)按照汽車行業(yè)中按照汽車行業(yè)中汽車產(chǎn)品質(zhì)量檢查評定辦法汽車產(chǎn)品質(zhì)量檢查評定辦法(即所謂藍即所謂藍皮書

13、皮書)，把汽車故障分為如下幾種：，把汽車故障分為如下幾種： 致命故障致命故障 嚴重故障嚴重故障 一般故障一般故障 輕微故障輕微故障 二、汽車可靠性研究中的威布爾分布及應用二、汽車可靠性研究中的威布爾分布及應用 v在研究分析汽車及其零部件可靠性時，必須掌握失在研究分析汽車及其零部件可靠性時，必須掌握失效隨時間變化的分布規(guī)律。在可靠性沒計中，既要效隨時間變化的分布規(guī)律。在可靠性沒計中，既要掌握失效隨時間變化的分布規(guī)律，又要掌握維修隨掌握失效隨時間變化的分布規(guī)律，又要掌握維修隨時間變化的分布規(guī)律。汽車可靠性研究中所用的理時間變化的分布規(guī)律。汽車可靠性研究中所用的理論概率分布類型很多，較常用的分布有：

14、二項分布、論概率分布類型很多，較常用的分布有：二項分布、泊松分布、正態(tài)分布、指數(shù)分布、威布爾分布等。泊松分布、正態(tài)分布、指數(shù)分布、威布爾分布等。威布爾分布函數(shù)是應用最廣泛的的可靠度函數(shù)，具威布爾分布函數(shù)是應用最廣泛的的可靠度函數(shù)，具有很好的兼容性，將日常見的正態(tài)分布、指數(shù)分布有很好的兼容性，將日常見的正態(tài)分布、指數(shù)分布等都容納在內(nèi)。等都容納在內(nèi)。 1威布爾分布的定義威布爾分布的定義 完整的威布爾分布由二個參數(shù)決定，其表達為完整的威布爾分布由二個參數(shù)決定，其表達為: 可靠度：可靠度： 失效度：失效度： 故障概率密度函數(shù)：故障概率密度函數(shù)： 故障率：故障率： m -形狀參數(shù)形狀參數(shù) -尺度參數(shù)尺度

15、參數(shù) r -位置參數(shù)位置參數(shù) 在實際工程中，位置參數(shù)在實際工程中，位置參數(shù)r常為常為0，故上述三參數(shù)的分布簡化為，故上述三參數(shù)的分布簡化為兩參數(shù)的分布，即兩參數(shù)的分布，即 0( )exp() / mR tt trt0( ) 1 exp () / mF tt rt 100( ) ()/ exp () / mmf tmt rtt rt 10()()/ ()() /mtf t Rtmt rt0t式中，形狀參數(shù)影響分布函數(shù)曲線的形狀特征。式中，形狀參數(shù)影響分布函數(shù)曲線的形狀特征。當當m=1時，則時，則即即m=1時，為指數(shù)分布；當時，為指數(shù)分布；當m=2時，為瑞利分布；當時，為瑞利分布；當m=2.73.

16、7時，為近時，為近似正態(tài)分布；當似正態(tài)分布；當m=3.313時，為正態(tài)分布。時，為正態(tài)分布。 因此，在汽車零部件可靠性試驗處理中，除非很有把握知道屬于某種因此，在汽車零部件可靠性試驗處理中，除非很有把握知道屬于某種分布，一般都采用威布爾分布，這在美國、歐洲和日本已經(jīng)普遍使用分布，一般都采用威布爾分布，這在美國、歐洲和日本已經(jīng)普遍使用 0( )exp/mR ttt0( )1 exp/mF ttt 100( )(/)exp(/)mmf tmtttt10( )/mtmtt0( )exp(/)exp()R tt tt 0( )1 exp(/)1 exp()F tt tt 00( )(1/)exp(/)

17、exp()f ttt tt0( )1/tt0(1/)t2威布爾分布參數(shù)的意義威布爾分布參數(shù)的意義 m、t0、r是威布爾分布的三個參數(shù)，它們在數(shù)學上有其明顯是威布爾分布的三個參數(shù)，它們在數(shù)學上有其明顯的幾何意義；在物理意義上，它們代表了產(chǎn)品不同的性能的幾何意義；在物理意義上，它們代表了產(chǎn)品不同的性能(不同的失效模式不同的失效模式)。 (1)形狀參數(shù)形狀參數(shù)m 取不同的取不同的m值的其威布爾分布曲線的形狀也隨之變化。值的其威布爾分布曲線的形狀也隨之變化。v當當m1時時，失效率隨時間增加而遞增，反映了耗損失效過程的特征，即，失效率隨時間增加而遞增，反映了耗損失效過程的特征，即IFR型。型。 (2)尺

18、度參數(shù)尺度參數(shù)t0 尺寸參數(shù)不影響曲線變化的形狀和位置，只是改變曲線縱橫尺寸參數(shù)不影響曲線變化的形狀和位置，只是改變曲線縱橫坐標的標尺。坐標的標尺。 (3)位置參數(shù)位置參數(shù)r 參數(shù)參數(shù)r不同時，威布爾分布的概率密度曲線形狀不變，只是不同時，威布爾分布的概率密度曲線形狀不變，只是曲線起點的位置發(fā)生變化。參數(shù)曲線起點的位置發(fā)生變化。參數(shù)r增大，曲線沿著橫軸正方向平行移動。增大，曲線沿著橫軸正方向平行移動。 3.威布爾分布的應用威布爾分布的應用 在使用威布爾分布研究產(chǎn)品可靠性時，通常用以下幾個壽命來評價產(chǎn)品可靠性：在使用威布爾分布研究產(chǎn)品可靠性時，通常用以下幾個壽命來評價產(chǎn)品可靠性：v 1)B10壽

19、命：累積失效概率壽命：累積失效概率F(t)=10時的壽命。時的壽命。v 2)特征壽命：可靠度為特征壽命：可靠度為36.8時的壽命，時的壽命，R= =36.8v 3)中位壽命：可靠度為中位壽命：可靠度為50時的壽命，也稱時的壽命，也稱B50壽命。壽命。 例例1.1 已知某汽車零件疲勞壽命服從威布爾分布，其形狀參數(shù)已知某汽車零件疲勞壽命服從威布爾分布，其形狀參數(shù)m = 2，尺，尺寸參數(shù)寸參數(shù) = 400h,位置參數(shù)位置參數(shù) r =60h。求該零部件工作到。求該零部件工作到100h的可靠度。的可靠度。 解：有解：有 式中，式中， 即，即， = 1e0( )1 exp () /mF ttrt 0( )

20、1( )() /mR tF ttrt 0mt( )exp (/ ) mR ttr2( )exp (1006/100) 0.946R t 第三節(jié)第三節(jié) 汽車可性數(shù)據(jù)的采集與分析汽車可性數(shù)據(jù)的采集與分析 一、汽車可靠性數(shù)據(jù)的采集一、汽車可靠性數(shù)據(jù)的采集 1.可靠性試驗可靠性試驗 (1)(1)可靠性試驗的目的可靠性試驗的目的 可靠性試驗是為了提高或確認產(chǎn)晶的可靠性而進行的試可靠性試驗是為了提高或確認產(chǎn)晶的可靠性而進行的試驗的總稱。其目的大體分為：驗的總稱。其目的大體分為： 1)1)為研制新產(chǎn)品、發(fā)現(xiàn)其弱點以改進設計；為研制新產(chǎn)品、發(fā)現(xiàn)其弱點以改進設計； 2)2)為確認零件的設計任務書；為確認零件的設

21、計任務書； 3)3)為接受產(chǎn)品和保證產(chǎn)品質(zhì)量；為接受產(chǎn)品和保證產(chǎn)品質(zhì)量； 4)4)為審查制造工藝的好壞等。為審查制造工藝的好壞等。 (2)(2)可靠性試驗分類可靠性試驗分類 按試驗性質(zhì)分為按試驗性質(zhì)分為壽命試驗、臨界試驗、環(huán)境試驗和使用試壽命試驗、臨界試驗、環(huán)境試驗和使用試驗等。驗等。 按試驗性質(zhì)，壽命試驗分為：按試驗性質(zhì)，壽命試驗分為： 1)貯存壽命試驗；貯存壽命試驗； 2)工作壽命試驗；工作壽命試驗； 3)加速壽命試驗。加速壽命試驗。 壽命試驗按失效情況可分為壽命試驗按失效情況可分為完全壽命試驗完全壽命試驗和和截尾試驗截尾試驗(或稱為不完全壽命或稱為不完全壽命試驗試驗)。 完全壽命試驗完全

22、壽命試驗是指試驗進行到投試樣品完全失效為止。截尾試驗中，當是指試驗進行到投試樣品完全失效為止。截尾試驗中，當試驗達到規(guī)定的試驗時間試驗達到規(guī)定的試驗時間t就停止試驗，稱為就停止試驗，稱為定時截尾試驗定時截尾試驗；當試驗達到；當試驗達到規(guī)定的失效數(shù)規(guī)定的失效數(shù)r就停止試驗，稱為就停止試驗，稱為定數(shù)截尾試驗定數(shù)截尾試驗。在截尾壽命試驗過程中，。在截尾壽命試驗過程中，若發(fā)生樣品失效，則更換樣品繼續(xù)試驗，使樣品數(shù)量保持不變，稱之為若發(fā)生樣品失效，則更換樣品繼續(xù)試驗，使樣品數(shù)量保持不變，稱之為有替換試驗有替換試驗；若在試驗過程中，樣品失效后不再補充，而將殘存的樣品；若在試驗過程中，樣品失效后不再補充，而

23、將殘存的樣品繼續(xù)試驗到規(guī)定時間才結束，這種試驗稱為繼續(xù)試驗到規(guī)定時間才結束，這種試驗稱為無替換試驗無替換試驗。 截尾試驗分為四種類型：截尾試驗分為四種類型：v 1)無替換定時截尾試驗，記做無替換定時截尾試驗，記做(n，無，無，to)；v 2)無替換定數(shù)截尾試驗，記做無替換定數(shù)截尾試驗，記做(n，無，無，r)；v 3)有替換定時截尾試驗，記做有替換定時截尾試驗，記做(n，有，有，to)；v 4)有替換定數(shù)截尾試驗，記做有替換定數(shù)截尾試驗，記做(n，有，有，r)。2 2使用可靠性數(shù)據(jù)的采集方法與內(nèi)容使用可靠性數(shù)據(jù)的采集方法與內(nèi)容 (1)使用可靠性數(shù)據(jù)的采集方法使用可靠性數(shù)據(jù)的采集方法 一般有兩種方

24、法：一般有兩種方法：一種是對現(xiàn)場人員分發(fā)報表，定期返回，其特點是費用低廉一種是對現(xiàn)場人員分發(fā)報表，定期返回，其特點是費用低廉不需專門人員，但易出現(xiàn)數(shù)據(jù)不完整和不準確的情況；另一種是組織專門測定不需專門人員，但易出現(xiàn)數(shù)據(jù)不完整和不準確的情況；另一種是組織專門測定可靠性的人員進行可靠性試驗，其特點是費用高，但由于采集者對數(shù)據(jù)分析過可靠性的人員進行可靠性試驗，其特點是費用高，但由于采集者對數(shù)據(jù)分析過程有充分的理解，選擇的數(shù)據(jù)適當，能掌握重點，易發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的謬誤，因而可程有充分的理解，選擇的數(shù)據(jù)適當，能掌握重點，易發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的謬誤，因而可保證數(shù)據(jù)的完整和準確。保證數(shù)據(jù)的完整和準確。 (2)數(shù)據(jù)采集時應注意

25、的事項數(shù)據(jù)采集時應注意的事項 v1)采集范圍：采集范圍：在每一份數(shù)據(jù)的收集報告中，產(chǎn)品對象范圍要明確統(tǒng)一。在每一份數(shù)據(jù)的收集報告中，產(chǎn)品對象范圍要明確統(tǒng)一。v2)制定異常工作的標準制定異常工作的標準(即故障的含義即故障的含義)：異常工作的含義一般以原訂產(chǎn)晶性能指異常工作的含義一般以原訂產(chǎn)晶性能指標為準，但在實際執(zhí)行巾往往存在困難，因為生產(chǎn)者與使用者以及操作人員之標為準，但在實際執(zhí)行巾往往存在困難，因為生產(chǎn)者與使用者以及操作人員之間的看法往往小一致。因此，調(diào)查開始前，要盡可能制訂出明確的故障判別標間的看法往往小一致。因此，調(diào)查開始前，要盡可能制訂出明確的故障判別標準。準。v3)時間的記錄：時間的記錄：可靠性中所說的時間是廣義的，是一個重要因素，其含義需要可靠性中所說的時間是廣義的，是一個重要因素