现代设计方法-汽车可靠性设计2019 共167页

设规定时间为 t ，产品寿命为 （随机变量）。
如果 t 表示该产品在时间内能够完成规定的功能。
在一批产品中， t 是一随机事件，发生的概率为
R ( t) P ( t)
( 0 t )
设有N件产品，从开始工作到时刻 t 发生的故障的件数 Nf(t)。
平均可靠度估计值
Rˆ(t)NNf (t) N
如发动机熄火，发动机工作不平稳，功率下降。注意，若产品工作 时的功能参数已漂移到规定的界限之外，即使仍能运行，也属于不 正常工作而视为“失效”，如6缸发动机只有2缸工作，汽车仍可正 常运行，也认为发动机发生故障。
1.3 产品可靠性的度量
1.3.1 可靠度R(t)与不可靠度F(t)
可靠度—产品在规定的条件，规定的时间内完成规定功能的概率.
50年代，R问题能愈更突出。美国军用雷达因故障不能工作时间达84%，陆军的电 子设备在规定时间内有65%~75%因故障不能使用，从此美国开始可靠性系统研究 工作。1952年，美国国防部成立了“电子设备可靠性咨询小组（AGREE）”，1957年 发表了著名的“军用电子设备的可靠性”报告，提出了在生产、试制过程中产品可靠 性指标进行试验、验证和鉴定的方法，以及包装、储存、运输过程中的R问题及要 求。这份报告被公认是电子产品可靠性工作的奠基性文件。至此，可靠性理论的研 究开始起步，并逐渐在世界范围内展开，可靠性工程开始形成一门独立的工程学科。
1.3.3 失效率λ (t)
工作到时刻 t 尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。 平均失效率估计值
ˆ(t)N [fN (t N tf)(t )N ]ft(t)N t[N 1 f(N t)f(t)]f(t)1 1 F (t)R f( (tt) )
0.89 0.82 0.73 0.61 0.46 0.33 0.23 0.15 0.08 0.04 0.01 0.00
0.053 0.079 0.11 0.164 0.246 0.283 0.303 0.348 0.467 0.500 0.750 1.00
16
f ( t ) 14 12
/% 10
8 6 4 2 0
1.1 可靠性工程的发展概况
我国于60年代末70年代初开始R研究工作，最早研究的有航天工业部705所，电 子工业部四所、五所等。汽车工业在80年代后才开始这方面的工作。1983年一 汽举办了“汽车可靠性理论”学习班，1983年8月天津“汽车可靠性工作会议” 决定 开展汽车可靠性理论的研究工作。1983-1984年，汽车工业组织了规模空前的汽 车R试验（试验车辆53台，总里程36万公里），结果显示，国产汽车的MTBF仅 为500-1000km（而国外先进水平可达1万km以上），早期故障率高，在2500km 之前，故障很多，90%属于生产管理造成的。其中固有可靠性问题是影响产品可 靠性的最根本问题，协作件的故障也十分突出。此后一汽、二汽等骨干企业发动 了大规模的质量攻关活动，汽车早期可靠性有了显示改善，MTBF成倍增长，1985 年后，汽车R活动继续在企业深入开展，取得了进步。例如，二汽变速器厂生产的 121.125mm系列变速器总成，质量保证期达5万公里，1万五千公里可靠性行驶试 验，无3类（含3类）以上故障。
F ( t ) ( t ) 1 R ( t )
( 0 t )
F(t)R(t)1
当 N足够大时
F(t) Nf (t) N
1.3 产品可靠性的度量
R(t)P(t)
100 95 R(t)
F (t) ( t) 1 R (t)
F(t) 50
F(t)/% R(t)/%
99
1
15 14～15 1
100 0
0.05 0.07 0.09 0.12 0.15 0.13 0.10 0.08 0.07 0.04 0.03 0.01
存活 频率
R Ns N
0.99 0.97 0.94
平均失 效率
N fi Ns t
0.01 0.0202 0.031
4 3～4 5
11
89
5 4～5 7
18
82
6 5～6 9
17
73
7 6～7 12 39
61
8 7～8 15 54
46
9 8～9 13 67
33
10 9～10 10 77
序 时间区间 时间 累积 未失
平均失效 累积失
号
t
（1a）
区间 内失 效数
N fi
失 效数
Nf Nfi
效数
Ns NNf
频率密度 f N fi
N t
效频率
F Nf N
1 0～1 1
1
99
0.01
0.01
2 1～2 2
3
97
0.02
0.03
3 2～3 3
6
94
0.03
0.06

23
11 10～11 8
85
15
12 11～12 7
92
8
13 12～13 4
96
4
14 13～14 3
99
1
15 14～15 1
100 0
0.05 0.07 0.09 0.12 0.15 0.13 0.10 0.08 0.07 0.04 0.03 0.01
0.11 0.18 0.27 0.39 0.54 0.67 0.77 0.85 0.92 0.96 0.99 1.00
汽车的可靠性(Reliability) —汽车及其零部件在规定条件 和规定时间内完成规定功能的能力.
1.1 可靠性工程的发展概况
可靠性问题的提出和研究要追溯到第二次世界大战期间，美国空军因飞行故障事故 而损失的飞机达21000架，比被击落的多1.5倍；美军运往远东作战飞机上的电子设 备，经运输后有60%不能使用，在储存期有50%失效；电子设备在使用中故障率高， 难以维护。1943年，美国正式投入可靠性研究工作，最初主要研究真空管，因为它 是设备发生故障的关键，后来生产出了R很高的真空管，但故障并没有排除。因此， 不能只研究单个零件的R，还必须研究整个系统的R问题。
t 0
t 0
1.3.2 失效概率密度f(t)
设工作到 t 时刻的失效数为 N f (t)
设工作到 t+△t 时刻的失效数为 Nf (tt)
f(t) N f(t) N f(tt) N f(t) F (tt) F (t) dF
lim lim lim N t 0N t N t 0
③ 规定时间 汽车一般用行驶里程、小时、 年限； 对于车门、刮雨器、回转轴等则采用次数。 规定的使用时间越长，即要求的寿命越长，相应的可靠性越低。
1.2 可靠性的定义
可靠性—产品在规定的条件，规定的时间内完成规定功能 的能力。
④规定功能 通常指产品的工作性能。产品应在规定的功能参数范围内运行，丧 失了规定的功能，称失效（可修复产品，也称为故障。通常失效和 故障不加严格区分）。
失效概率密度曲线
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
2
t/a
图1-2 平均失效频率密度直方图
失效频率密度分布直方图中的每一小方块面积代表失效频率
当 N ,t 0时，直方图趋于一条曲线，叫做“失效概率密度曲线”
f(t)lN i m f(t)lN i m N Nf(tt)
日本于1956年从美国引进R技术，普及开展了R研究。R工程技术在日本的民用产 品上的应用非常成功，日本汽车、家用电器、工程机械等产品能够畅销全世界， 最主要的原因就是质量及可靠性高，但也并不一直是这样的，1969年是一个转折 点。1969年6月，日本出口到美国的汽车遭到大量退货，影响很坏，对日本汽车 行业震动很大，以此为转机，汽车工业对R更加关注，汽车R研究得到了进一步的 开展。
t ti ti 1 (i 1 ,2 , k)
3）第i个区段 [ti1,ti ] 内，，产品失效数为 N f i
失效频率
Wi
Nfi
N
平均失效频率密度 f (t) Nfi N t
工作到 t i 时刻的累积失效频率
i
N fj
i
Fi
j 1
N
Wj j 1
表1-1 N=100个产品在15年内的失效数据统计与分析
N
(t)lN i m ˆ(t)1fF (t()t)R f((tt)) t 0 单位 % 13 0h,% Ye,a% 1 r4 0km
表1-1 N=100个产品在15年内的失效数据统计与分析
序 时间区间 时间 累积 未失
平均失效 累积失
号
t
（1a）
区间 内失 效数
N fi
失 效数
1.1 可靠性工程的发展概况
60年代，由于产品趋向复杂化，工作环境条件的严酷，对可靠性的要求越来越 高。可靠性技术从电子业迅速推广到其它工业部门，从阿波罗飞船到洗衣机、 汽车、电视、 都应用了R设计技术和R管理技术。1961年美国开始研制Apollo-Ⅱ 号飞船，有720万个零（元、器）件，共42万人参加研制。要求每个零件必须有 高可靠性，有时一个零件失效可能导致整个系统的故障，造成灾难性后果。美国 通用电气公司研制了“用仿真方法预测Apollo飞船完成任务的概率”的计算机程序， Apollo飞船的固有可靠性（由设计、制造确定的）为99.97%。1969年7月Apollo 登月成功，美国宇航局（NASA）将R工程技术列为三大技术成就之一，Apollo计 划被公认为是可靠性的充分体现。60年代末，70年代初，美国编制了一系列可 靠性规范，可靠性理论趋于成熟，应用领域不断扩大，到70年代末，可靠性研究 工作在世界范围内已达到了成熟期。
Nf Nfi
效数
Ns NNf
频率密度 f N fi
N t
效频率
F Nf N
1 0～1 1
1
99
0.01
0.01
2 1～2 2
3
97
0.02
0.03
3 2～3 3
6
94
0.03
0.06
存活 频率
R Ns N
0.99 0.97 0.94
平均失 效率
N fi Ns t
汽车可靠性设计
重庆大学汽车系
第一章 汽车的耐久性和可靠性
耐久性和可靠性的概念
汽车的耐久性(Durability) —汽车及其零部件的行驶里 程(不发生失效)
汽车及其零部件的失效寿命是个随机变量,例如很多 汽车零部件的设计寿命为16万公里,表示汽车零部件运 行到16万公里时不发生失效的概率为90%(或发生失 效的概率为10%)
N t
N t 0
t
dt
F(t)1R(t)
f(t)
f(t)dF (t)dR (t)
dt
dt
f(t)
失效概率
F(t)
t
f (t)dt
0
F(ta)
R(ta)

0
可靠度 R(t)1F(t) f(t)dt t
ta
t
图1-3 f(t)与F(t)
1.3 产品可靠性的度量
5 0
t
图1-1 R(t)和F(t)随工作时间t的变化情况
1.3 产品可靠性的度量
1.3.2 失效概率密度f(t)
f (t) ——产品寿命t（随机变量）的概率密度
平均失效概率密度直方图
1）取N件产品作寿命试验，测量其失效时间（是随机变量）；
2）将失效时间分为K个区段：[to,t1]，[t1,t2]…[tk-1,tk]
1.2 可靠性的定义
可靠性—产品在规定的条件，规定的时间内完成规定功能 的能力。
① 研究的对象（产品） 整车、总成（发动机总成等）、零件、人车系统（因为也可能由司机 操作不可靠引起汽车失效）、计算机软件等。
② 规定条件 主要指汽车的使用条件，包括道路条件（平原、山地、丘陵）、气候 条件（热带、寒带等）、维修保养水平、驾驶员的技术水平等； 使用条件不同，零件的可靠度不同； 离开了规定的条件，可靠性分析就失去了分析基础。
置信度50%
可靠度理论值
R(t)limRˆ(t) 置信度100% N
一般当N足够大 R(t) NNf (t) N
1.3 产品可靠性的度量
1.3.1 可靠度R(t)与不可靠度F(t)
不可靠度（累计失效概率,失效概率）— 产品在规定的时间t内不能
完成规定功能的概率，即发生故障的时刻 小于 t 时的概率。
0.01 0.0202 0.031
4 3～4 5
11
89
5 4～5 7
18
82
6 5～6 9
17
73
7 6～7 12 39
61
8 7～8 15 54
46
9 8～9 13 67
33
10 9～10 10 77
23
11 10～11 8
85
15
12 11～12 7
92
8
13 12～13 4
96
4
14 13～14 3