汽车零部件的失效模式及可靠性设计本科毕业设计.doc

汽车零部件的失效模式和可靠性设计 本科毕业设计（论文）( 2014届 ) 题 目：汽车零部件的失效模式及可靠性设计 学 院：工学院职业技术教育学院 专 业：汽车维修工程教育 学生姓名： 学号： 10520131 指导教师： 职称： 副教授 合作导师： 职称： 完成时间： 2014 年 4 月 25 日 成 绩： 22浙江师范大学本科毕业设计（论文）正文目录摘要1关键词11 引言11.1 零部件的失效模式的介绍11.2 可靠性发展史21.2.1 国外可靠性发展史21.2.2 国内可靠性发展史32 汽车零部件的失效模式分析42.1 磨损42.1.1 磨料磨损及其工作环境42.1.2 粘着磨损及其工作环境42.1.3 表面疲劳磨损及其工作环境52.1.4 腐蚀磨损及其工作环境52.1.5 微动磨损及其工作环境62.2 疲劳断裂62.3 腐蚀62.4 变形72.4.1 弹性变形失效72.4.2 塑性变形失效72.4.3 蠕变失效72.5 老化73 可靠性概念及可靠性设计方法介绍73.1 可靠性概念73.2 可靠性设计方法93.2.1 TTCP法93.2.2 概率设计103.2.3 失效模式、影响及致命度分析（FMECA）104 基于有限元的可靠性实例设计分析124.1 有限元介绍124.2 汽车轮毂的介绍144.2.1 轮毂的组成与参数144.3 有限元分析164.3.1 起亚K5轮毂建模164.3.2 轮毂有限元分析过程164.3.3 轮毂有限元分析的结果164.4 轮毂的失效分析与改进设计174.4.1 厚度对轮毂失效的影响184.4.2 杂质对轮毂失效的影响184.4.3 轮毂的改进设计18结论18参考文献18 汽车零部件的失效模式及可靠性设计工学院职业技术教育学院 汽车维修工程教育 10520131指导老师： 职称：副教授摘要：为了研究汽车零部件丧失功能的原因，特征和规律，结合相关的可靠性设计方法，能够有效的进行改进，提高其可靠性。提出了汽车零部件的几种失效模式及其工作环境和可靠性设计方法。并运用Autodesk Inventor软件对起亚K5的轮毂进行有限元分析，提出了轮毂的改进措施。关键词：汽车零部件失效模式；可靠性 Failure Mode and reliability of automotive components designInstitute of technology vocational and technical college of educationAuto Repair Engineering Education Wang Lihui 10520131Director：Cao Zhenxin Title: Associate ProfessorAbstract: In order to study the cause of loss of function of auto parts, features, and laws related to the combination of reliability design method can effectively improve and enhance its reliability. Proposed several failure modes and their working environment and reliability of automotive components design. And the use of Autodesk Inventor software hub for Kia K5 finite element analysis, and proposed improvements wheels.Key Word:Auto parts failure modes； Reliability 1 引言随着科技的发展，汽车行业的发展也变得越来越快，如各种新型车系的问世等。同时汽车本身也存在这很大的问题，汽车零部件的失效可能导致整辆车的报废。如何提高汽车零部件的可靠性也成为了一个问题。人们开始在零部件设计的过程中运用可靠性设计方法来解决这个问题。1.1 零部件的失效模式的介绍失效的概念：汽车零部件失去原设计所规定的功能称为失效。失效不仅是指完全丧失原定功能，而且功能降低和严重损伤或隐患、继续使用会失去可靠性及安全性的零部件。机械设备发生失效事故，往往会造成不同程度的经济损失，而且还会危及人们的生命安全。汽车作为重要的交通运输工具，其可靠性和安全性越来越受到重视。因此，在汽车维修工程中开展失效分析工作，不仅可以提高汽车维修质量，而且可为汽车制造部门提供反馈信息，以便改进汽车设计和制造工艺。零部件失去原有的功能后，会使机械停止工作或者发生更加严重的情况，所以人们将失效形式进行了总结，形成了失效模式。也就是零部件失效的形式基本都包含在其中。失效模式总共可以分为五个部分：第一种失效模式是磨损，当零部件在运动过程中，所有接触部分都会发生摩擦，这时接触部分就会发生磨损，时间一长零部件就不能进行工作了。汽车的零部件中有许多都是由磨损期限的，到了期限后就必须进行更换，否则会发生很严重的事情。第二种失效模式是疲劳断裂。所谓疲劳断裂就是零件在交变应力作用下，经过较长时间工作而发生的断裂现象。汽车中有90%以上的断裂都是疲劳断裂，就以汽车的曲轴来说，在传递力的过程中会受到扭转 、剪切、弯曲、冲击等许多的交变应力，当它到达极限的时候曲轴就会疲劳断裂，这时汽车就会发生意外或者无法启动。第三种失效模式是变形，这种现象也比较常见，当汽车零部件受到大力的冲击时，其中的小部件可能会因为受不了冲击力而产生变形致使汽车无法启动、抛锚等。第四种失效模式是腐蚀。汽车许多零部件都是浸在油或者液体里，长时间过后就会被油或者液体腐蚀掉了。第五种失效模式是老化。汽车中所有的零部件都有寿命，到了期限后老化，不能使用。1.2 可靠性发展史可靠性理论是以产品寿命特征为主要研究对象的一门综合性和边缘性科学，它涉及到基础科学、技术科学和管理科学的许多领域。对于结构可靠性这一学科，从其诞生到现在已经有了长足的发展：从基于概率论的随机可靠性到基于模糊理论的模糊可靠性以及近年来提出的非概率可靠性，使得这一理论日臻丰富和完善，并深入渗透到各个学科和领域。它的应用完善了传统的设计理论，极大地提升了结构和产品的质量，因此一直受到国内外学者的关注。1.2.1 国外可靠性发展史国外最早有关可靠性指标的要求见于1939年英国的飞机适航性注释。之后再20世纪40年代初德国在研制v-1火箭时也提出了相关的可靠性指标。在这面处于领先位置的是美国，包括机械可靠性领域。1947年，美国A.M.Freudenthal在土木工程师学会（ASCE）刊物上发表的“结构的安全性”中首次提出了“应力/强度分布干涉”理论。之后他又关于疲劳对于结构的影响方面的理论。国外正式对机械可靠性的研究始于20世纪60年代初期。它的发展与美国的航天计划密切相关。当时，机械故障和电子-机械故障时NASA（宇航局）最关心的事。因为由于机械故障而引起的事故很多，损失巨大。例如，1964年，人造卫星水星三号因机械故障事项；在Gemini飞船系统中零件的故障频繁，如阀门、调节器等。因此从1965年起，NASA开始进行以下几项机械可靠性。之后的20年间，也有很多的专家对此进行了相关进行研究。二十世纪七十年代，可靠性理论与实践的发展进入了成熟的应用阶段。世界先进国家都在可靠性方面有所应用。例如美国建立集中统一的可靠性管理机构，负责组织、协调可靠性政策、标准、手册和重大研究课题，成立全国数据网，加强政府与工业部门间的技术信息交流，并制定了完善的可选性设计、试验及管理的方法和程序。在项目设计上，从一开始设计对象的型号论证开始，就强调可靠性设计，在设计制造过程中，通过加强对元器件的控制，强调环境应力筛选、可靠性增长试验和综合环境应力可靠性试验等来提高设计对象的可靠性。八十年代开始，可靠性一直向更深更广的方向发展。在技术上深入开展软件可靠性、机械可靠性、光电器件可靠性和微电子器件可靠性的研究，全面推广计算机辅助设计技术在可靠性领域的应用，采用模块化、综合化和超高速集成电路等可靠性高的新技术来提高设计对象的可靠性。可靠性在世界得以普遍应用和发展。到了二十世纪九十年代，可靠性在向着综合化、自动化、系统化和智能化的方向发展。综合化是指统一的功能综合设计而不是分立单元的组合叠加，以提高系统的信息综合利用和资源共享能力。自动化是指设计对象具有功能的一定自动执行能力，可提高产品在使用过程中的可靠性。系统化是指研究对象要能构成有机体系，发挥单个对象不能发挥的整体效能。智能化将计算技术引入，采用例如人工智能等先进技术，提高产品系统的可靠性和维修性。1.2.2 国内可靠性发展史国内最早开始研究机械可靠性方面是开始与20世纪80年代。在1982年12月原机械工业部沈烈初副部长在一次会议上提及到“至于可靠性设计，基本处于空白，不论是理论还是方法，都未掌握。”1983年3月，在北京召开了第一次机械可靠性座谈会，由航天部质量司何国伟总工程师做了主题报告。1984年原机械工业部科技司长姚福生率团赴日本考察机电产品的可靠性。1986、1987、1988连续三年召开了三次机械工业部可靠性工作会议。之后的几十年间，相关的研究也发展的非常快，已将理论和实践推向了新的高度。由于最早的可靠性研究是先从机械开始的，所以对于汽车可靠性的研究与发展也是在此基础上慢慢发展而来。现在的汽车可靠性设计不是很完善，采用大多是机械的可靠性原则。因此有许多的缺点，需要专业人士进行研究和完善。2 汽车零部件的失效模式分析2.1 磨损汽车或机械运动在其运动中都是一个物体与另一物体相接触、或与其周围的液体或气体介质相接触，与此同时在运动过程中，产生阻碍运动的效应，这就是摩擦。物体进行相互摩擦后，一部分会以热量和噪音的形式传递出去，同时摩擦效应的出现还会使物体表面的材料逐渐的消失，这就是磨损。磨损与零件所受的应力状态、工作与润滑条件、加工表面形貌、材料的组织结构与性能以及环境介质的化学作用等一系列因素有关；按表面破坏机理和特征，磨损可分为磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等；前两种是磨损的基本类型，后两种磨损形式只在某些特定条件下才会发生。2.1.1 磨料磨损及其工作环境物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物（包括硬金属）相互摩擦引起表面材料损失的现象称为磨料磨损；在各类磨损形式中大约占磨损总消耗的50%；危害最为严重的磨损形式。以气缸为例活塞需要在气缸内工作四个循环分别为进气、压缩、做功、排气如图示。在进气和压缩这两个循环中气缸会吸入一定数量的空气和汽油，为之后的工作循环做准备。它的工作环境是处于汽油和空气的混合物中。如果混合物中有颗粒，那么会引起严重的磨损，就如粒度为20m30m的尘埃将引起气缸表面的严重磨损。2.1.2 粘着磨损及其工作环境摩擦副相对运动时，由于固相焊合作用的结果，造成接触面金属损耗的现象称为粘着磨损。干摩擦和在润滑不良条件下工作的滑动摩擦副容易产生粘着磨损，严重时会使摩擦副咬死。在汽车零件中，以气缸套与活塞为例，在两者进行摩擦的过程中如果润滑不当，气缸套与活塞之间会成如图示的情况，在这种情况下气缸套与活塞会发生粘着磨损，严重地影响工作。图2-2 粘着磨损原理图2.1.3 表面疲劳磨损及其工作环境两接触表面在交变接触压应力的作用下，材料表面因疲劳而产生物质损失的现象称为表面疲劳磨损。表面疲劳磨损一般多出现在相对滚动或带有滑动的滚动摩擦条件下；如变速器中的齿轮，它再结合转动时，当外界的冲击力影响到变速器时，这时结合的齿轮会发生相对的滑动；滑动摩擦时，也会出现疲劳破坏，如巴氏合金轴承表面材料的疲劳剥落。图2-3 齿轮表面疲劳磨损实物图2.1.4 腐蚀磨损及其工作环境零件表面在摩擦过程中，表面金属与周围介质发生化学或电化学反应，因而出现物质损失的现象成为腐蚀磨损。腐蚀磨损是腐蚀和摩擦共同作用的结果。其表现的状态与介质的性质、介质作用在摩擦表面上的状态以及摩擦材料的性能有关。腐蚀磨损通常分为：氧化磨损、特殊介质的腐蚀磨损、穴蚀及氢致磨损。氧化磨损：氧化磨损是最常见的一种磨损形式，曲轴轴颈、气缸、活塞销、齿轮啮合表面、滚珠或滚柱轴承等零件都会产生氧化磨损。与其它磨损类型相比，氧化磨损具有最小的磨损速度，有时氧化膜还能起到保护作用。影响因素：影响氧化磨损的因素有滑动速度、接触载荷、氧化膜的硬度、介质中的含氧量、润滑条件以及材料性能等。气蚀（穴蚀或空蚀）：穴蚀是当零件与液体接触并有相对运动时，零件表面出现的一种损伤现象。柴油机湿式缸套的外壁与冷却液接触的表面、滑动轴承在最小油膜间隙之后的油膜扩散部分（由于负压的存在），都可能产生穴蚀。穴蚀产生的机理是由于冲击力而造成的表面疲劳破坏，但液体的化学和电化学作用、液体中含有杂质磨料等均可能加速穴蚀的破坏过程。气缸套穴蚀为例，由于气缸内燃烧压力随曲轴转角而变化，缸套在活塞侧向推力的作用下，使缸套产生弹性变形和高频振动。气泡在溃灭的瞬时产生极大的冲击力（几千甚至一万个大气压）和高温（数百度），溃灭的速度可达250m/s。氢致磨损：含氢的材料在摩擦过程中，由于力学及化学作用导致氢的析出。氢扩散到金属表面的变形层中，使变形层内出现大量的裂纹源，裂纹的产生和发展，使表面材料脱落称为氢致磨损。氢可能来自材料本身或是环境介质，如润滑油和水中等。2.1.5 微动磨损及其工作环境两接触表面间没有宏观相对运动，但在外界变动负荷影响下，有小振幅的相对振动（一般小于100m），此时接触表面间产生大量的微小氧化物磨损粉末，因此造成的磨损称为微动磨损。微动以三种方式对构件造成破坏；如在微动磨损过程中，两个表面之间的化学反应起主要作用时，则称微动腐蚀磨损。如果微动表面或次表面层中产生微裂纹，在反复应力作用下发展成疲劳裂纹，称为微动疲劳磨损。通常在静配合的轴与孔表面，某些片式摩擦离合器内外摩擦片的结合面上，以及一些受振动影响的联接件（如花键、销、螺钉）的接合面上都可能出现微动磨损。微动磨损造成摩擦表面有较集中的小凹坑，使配合精度降低。更严重的是在微动磨损处引起应力集中，导致零件疲劳断裂。微动磨损是一种复合形式的磨损。是粘着磨损、氧化磨损、磨料磨损三种磨损形式的组合。微小振动和氧化作用是促进微动磨损的主要原因。2.2 疲劳断裂零件在交变应力作用下，经过较长时间工作而发生的断裂现象称为疲劳断裂。是汽车零件常见及危害性最大的一种失效方式。在汽车上，大约有90%以上的断裂可归结为零件的疲劳失效。疲劳断裂失效的分类：根据零件的特点及破坏时总的应力循环次数，可分为无裂纹零件和裂纹零件的疲劳断裂失效。高周疲劳发生时，应力在屈服强度以下，零件的寿命主要由裂纹的形核寿命控制。低周疲劳发生时的应力可高于屈服极限，其寿命受裂纹扩展寿命的影响较大。汽车零件一般多为低应力高周疲劳断裂。疲劳断裂失效机理：金属零件疲劳断裂实质上是一个累计损伤过程。大体可划分为滑移、裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展、最终断裂几个过程。如凸轮轴在长时间的工作下，它所承受的应力超过本身的极限时，就会发生脆性断裂，致使汽车停止工作。2.3 腐蚀零件受周围介质作用而引起的损坏称为零件的腐蚀。按腐蚀机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，汽车上约20%的零件因腐蚀而失效。1.化学腐蚀失效机理：金属零件与介质直接发生化学作用而引起的损伤称为化学腐蚀。金属在干燥空气中的氧化以及金属在不导电介质中的腐蚀等均属于化学腐蚀；化学腐蚀过程中没有电流产生，通常在金属表面形成一层腐蚀产物膜，如铁在干燥的空气中与氧作用生成Fe3O4；这层膜的性质决定化学腐蚀速度，如果膜是完整的，强度、塑性都很好，膨胀系数和金属相近，膜与金属的粘着力强等，就具有保护金属、减缓腐蚀的作用。（发动机活塞环镀铬）2.电化学腐蚀失效机理：电化学腐蚀是两个不同的金属在一个导电溶液中形成一对电极，产生电化学反应而发生腐蚀的作用，使充当阳极的金属被腐蚀。2.4 变形零件在使用过程中，由于承载或内部应力的作用，使零件的尺寸和形状改变的现象称为变形。变形是零件失效的一个重要原因，如曲轴、离合器摩擦片、变速器中间轴与主轴。变形失效的分类：弹性变形失效、塑性变形失效和蠕变失效。2.4.1 弹性变形失效材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。在这个过程中，材料虽然能够恢复到原来的形状，但是它的承载性能会降低的很快，会导致整个零部件在一定时间后不能使用。2.4.2 塑性变形失效当外力一旦超过弹性极限荷载时，这时再卸除荷载，固体也不能恢复原状，其中有一部分不能消失的变形被保留下来，这种保留下来的永久变形就称为塑性变形。在这个过程中，材料不能恢复到原来的形状，会导致它的承载能力变得很弱，长时间过后就不能使用了。2.4.3 蠕变失效固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。2.5 老化橡胶、塑料制品和电子元件等汽车用零件，随着时间的增长，原有的性能会逐渐衰退称为老化现象；这类元件、制品不论工作与否，老化现象都会发生，如橡胶轮胎、塑料器件等。（龟裂、变硬）3 可靠性概念及可靠性设计方法介绍3.1 可靠性概念根据GB/T2009.13-2008电工术语 可靠性与服务质量规定的可靠性定义：产品在规定条件下和规定时内完成规定功能的能力。如果用“概率”来量度这一“能力”，就是可靠度用R(t)来表示。这一定义也使用机械产品。同时可靠性有以下几个要点：1.产品 产品包括零件、设备和系统，可以从一个很小的零件到一个很大的机电一体化。不仅如此，包括操作人员在内的人机系统也可看到做是产品，这时系统里也包括了人的因素。实际上，系统的失效常常是由于人的不可靠引起的。还要注意，“产品”者这一概念还在不断扩大，计算机软件也可以看作是产品2.规定条件 规定条件主要指工作环境，如压力、温度、湿度、盐雾、腐蚀、辐射、冲击、震动和噪声等，还包括使用和维修条件、动力和载荷条件、操作工人的技术水平等。任何产品如果遭到误用和滥用，都可能引起损坏，因此在使用说明书中应对产品使用条件加以规定，这是判断发生失效时责任在于用户还是制造商的关键。3.规定时间 可靠度是时间性的质量指标，产品只能在一定的时间范围内达到目标可靠度，不可能永远保持目标可靠度而不降低。因此对时间的对顶一定要明确。时间可能是区间（0，t），也可能是区间（t1,t2）。时间一般是以时间、年为单位，但根据产品的不同，广义的时间包括车辆行驶的里程表、回转零件的转数、工作循环次数、机械装置的动作次数等。4.规定功能 功能通常是指产品的工作性能，但是可靠性工程师的工作重点不是产品的功能，而是产品的失效或者故障。失效即产品丧失了规定的功能。对可修复产品，失效也称为故障。因此，规定的功能与失效密切相关，如何正确判断产品是否有效，合理地确定失效判断非常重要。功能有主次之分，故障有主次之分。次要的故障不影响主要功能，因而也不影响可靠性。但有时动作不稳、性能下降或响应缓慢也构成故障，例如，大型设备的保护装置，如果响应缓慢就会导致主体设备的损坏，所以在有些情况下次要的故障也是不能允许的。 顺便指出，通常对失效和故障不加严格区分。5.概率 概率是可以量度的，其值在0到1之间，所以0最早的可靠性设计是在概率和统计学基础上建立的，直到1939年瑞典人威布尔为了描述材料的疲劳强度而提出了威布尔分布，后来成为可靠性最常用的分布之一。之后经过科技的发展，可靠性设计也变得多样化，不过现在主流的可靠性设计方法有以下几种：第一种是失效树分析法，它是在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）进行分析，画出逻辑框图（即失效树），从而确定系统失效原因的各种可能组合方式或其发生概率，以计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性。第二种概率设计，概率论是研究大量随机现象发生的可能性和规律性的学科。可靠性的概率设计就是在此基础上建立起来的。可靠性工程常用的概率分布分为以下几种：1.伯努利实验和二项分布 2.泊松分布 3.正态分布 4.威布尔分布 5.指数分布 6.概率分布的确定和应用。第三种设计方法是失效模式、影响及致命度分析（FMECA）， 它是“在系统设计过程中，通过对系统各组成单元潜在的各种失效模式及其对系统功能的影响，与产生后果的严重程度进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性。除了上述几种之外，还有TTCP法、平均故障率法和稳健性设计法等。3.2 可靠性设计方法3.2.1 TTCP法TTCP法是典型的模块式组合元件的结构集成化设计方法，它是由美、英、加、澳、新五国共同研究提出，是在零件设计前对其进行可靠性预计，来提高零件的可靠性。由于机械产品的“个性”太强，其标准化、通用化程度很低，因而很难建立系统、分系统乃至设备组件及的可靠性预计模型。但若将它们分解到零件级，则有许多基础零件是通用的，TTCP可靠性设计法是基于此考虑的一种方法。TTCP可靠性设计方法的具体思路是分为以下几步。1.对通用零件进行故障模式、影响及危害性分析，找出其主要故障模式及影响这些模式的主要设计、使用参数。2.对数据进行收集、处理及分析。3.运用上述处理完的数据，建立各零件的故障率与上述参数的数学函数关系。这种方法的实质是建立个零件的基本故障率，然后用各种参数进行修正。TTCP可靠性设计方法在具体实施的时候分为以下几个步骤：1.将常用的机械零部件分解成若干典型件（如轴承、齿轮、轴、联轴器等），每一种又细分为各种型式，如轴承分为球、短圆柱滚子和圆锥滚子轴承等。2.对各设备及零件进行故障模式、影响分析，找出其主要故障模式，按模式确定各零件的基本故障率，其主要依据是制造厂商的规范和保证期中的信息及现场使用数据，制造厂商则多以其通用的标准化的设备为依据。3.利用FMECA及工程判断，选择关键的设计使用参数，并通过分析资料、试验以及工程判断来确定与各参数有关的修正系数及其模型。4.在特定的设计、使用和环境条件下，各零件的故障率为 (3-1)5.在将零件组合成机械产品，计算它的故障率： (3-2)TTCP可靠性设计方法是在设计过程中企图在产品的设计阶段就定量地预测产品的可靠性，对结构复杂的机械系统，用于产品设计的早起阶段，在确定了产品的具体结构及使用条件而又未能进行零部件的真实试验时是一种可行的方法。它的思路简单，可用来进行组件、分系统以至系统的可靠性的预计。3.2.2 概率设计概率设计方法是最基本的可靠性设计方法，它是应用概率统计理论进行机械零件及构件设计的方法。它和材料性能与强度及零部件的尺寸，都是为属于某种概率分布的统计量，以通用的广义应力强度干涉模型作为基本运算公式，从而可以依据强度、刚度、耐磨度、耐热度、精确度等评定准则，广泛沿用机械零件传统的设计计算模型，求出给定可靠度下的零件的尺寸或给定尺寸下零件的饿可靠度及相应寿命。概率设计方法的主要内容是研究产品的故障物理和故障模型，确定产品的可靠性参数及指标，合理分配产品的可靠性指标值，把规定的可靠度直接涉及到零件中去，进而设计到系统中去。概率设计方法的实施步骤如下：1.确定设计的问题和任务的轮廓。2.确定有关的设计变量和参数。3.进行失效模式及影响分析（FMEA）。4.确定零件的失效模式是独立的还是相关的。5.确定涉及到的每种失效模式的判据。6.分析载荷状况下确定应力分析。7.确定每种失效模式下的应力分布。8.在初步选择几何尺寸、材料等条件下，确定强度公式。9.确定每个失效模式下的强度分布。10.对于每一种致命的失效模式，应用干涉模型计算可靠度。11.确定同时考虑到所有致命失效模式的零件的整个可靠度。12.确定零件可靠度的置信度。13.对于系统中所有的关键部件重复上述步骤，求出各自的可靠度。14.计算子系统及整个系统的可靠度，完成初步设计。15.对设计内容进行优化。概率设计方法相对于传统的安全系数法来说，有以下几个优点：1.概率设计方法在设计零部件的时候，会存在一定的故障率。2.传统的安全系数法在设计过程中，大多根据经验确定，有较大的主观随意性和盲目性。3.很大的安全系数往往掩盖了对其它故障模式的考虑，而概率设计则有可能对不同的故障模式细致地加以考虑。3.2.3 失效模式、影响及致命度分析（FMECA）失效模式、影响及致命度分析（FMECA）是在系统设计过程中，通过对系统各组成单元潜在的各种失效模式及其对系统功能有影响，与产生后果的严重程度进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。在运用这个设计分析方法时，一般会和设计零部件一同进行，以确保设计出来的零部件符合分析的要求。它在分析时，一般有以下几个步骤：1.按照系统功能画出可靠性框图，弄清系统的所有零部件及其功能。翻斗汽车制动功能动力传递转向功能后 制 动油 缸液压升降前 制 动制动控制制动冷却密 封活 塞O型环活塞、活塞缸活塞环、盘浮动密封外 壳2.确定分析的范围，列出每个零部件明显的和潜在的失效模式及影响。3.研究如何检测各种失效模式的方法。4.针对各种失效模式，找出失效原因，提出可能的预防措施。5.估计各种失效模式的发生概率，并计算致命度在采用致命度计算时，采用以下的公式 (3-3)式中 -致命度评分值 -对系统损害程度系数 -故障对系统影响程度系数 -故障发生频率系数 -预防故障难易程度系数 -是否重新设计系数、和荐用值列于下表表系数（i=1、2、3、4、5）荐用值表3-1 系数（i=1、2、3、4、5）的荐用值表项目含义系数值（对系统损害程度系数）有致命损伤造成相当大损失的故障不失掉功能的故障5.03.01.5（故障对系统影响程度系数）对系统有两个以上的故障对系统有一个以上的故障对系统无重大影响2.01.00.5（故障发生频率系数）故障发生的频率较高故障有可能发生故障发生的可能性很小1.51.00.7（预防故障难易程度系数）不能预防能够预防预防很简单1.31.00.7（是否重新设计系数）需要大力修改可用类似的设计用同一的设计1.21.00.8当所算得的致命度，说明所分析的零部件失效时对系统造成的危险程度较大，因此需要改变原有的设计，并提出预防失效的措施。如果致命度在0.5和1之间，说明有一定危险，这时需要修改原有设计，并采取其它措施，防止发生危险。如果致命度，说明没有危险，不需要改变原有的设计。6.填写FMEA和FMECA表格。4 基于有限元的可靠性实例设计分析4.1 有限元介绍有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确的答案，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。在解偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程, 并且该过程还需要保持数值稳定性。目前有许多处理的方法，他们各有利弊。当区域改变时(就像一个边界可变的固体), 当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域(像汽车和输油管道)上解偏微分方程的一个很好的选择。例如，在正面碰撞仿真时, 有可能在重要区域(例如汽车的前部)增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(如此可以减少仿真所需消耗)；另一个例子是模拟地球的气候模式, 预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的。基本特点：有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。步骤：有限元分析法基本的解题步骤如下：1.问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。2.：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。3.确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。4.单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。5.总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。6.联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。4.2 汽车轮毂的介绍轮毂是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶形的、中心是装在轴上的部件。4.2.1 轮毂的组成与参数1. 轮辋：与轮胎装配配合，支撑轮胎的车轮部分。2. 轮辐：与车轴轮毂实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分。3. 轮缘：保持并支撑轮胎方向的轮辋部分。4. 胎圈座：与轮胎圈接触，支撑维持轮胎半径方向的轮辋部分。5. 槽底：为方便轮胎装拆，在轮辋上留有一定深度和宽度的凹坑。6. 气门孔：安装轮胎气门嘴的孔。轮毂的基本尺寸包括以下几个：尺寸、宽度、pcd与孔位、偏距和中心孔。尺寸轮毂尺寸其实就是轮毂的直径，我们经常能听到人们说的15寸轮毂、16寸轮毂这样的说法，其中的15、16寸指的就是轮毂的尺寸（直径）。一般在轿车上，轮毂尺寸大，轮胎扁平比高的话，在视觉上可以起到很好的张力效果，而且在车辆操控的稳定性方面也会有所增加，但是随之而来的就是油耗增加这样的附加问题。宽度轮毂宽度又俗称为J值，轮毂的宽度直接影响到轮胎的选择，同样尺寸的轮胎，J值不同，选择的轮胎扁平比和宽度也就不同。PCD与孔位PCD的专业名称叫节圆直径，是指轮毂中央的固定螺栓间的直径，一般的轮毂大多孔位是5颗螺栓和4颗螺栓，而螺栓的距离却也各有不同，所以我们经常可以听到4X103，5X114.3，5X112这样的叫法，以5X114.3为例，就代表这颗轮毂的PCD是114.3mm，孔位5颗螺栓。在选择轮毂的时候，PCD是最重要的参数之一，为了安全和稳定性的考虑，最好还是选择PCD与原车一致的轮毂来进行升级改造。图4-1 轮毂中心孔和孔距的原理图偏距英文是Offset，俗称ET值，轮毂螺栓固定面与几何中心线（轮毂横剖面中心线）之间的距离，说得简单些就是轮毂中间螺丝固定座与整个轮圈中心点的差值，通俗点说就是轮毂改装之后是向内缩进还是向外凸出。对一般轿车而言，ET值为正，对少数车辆和一些吉普车而言为负。比如一台车的偏距值为40，若是换上了ET45的轮毂，在视觉上就会比原厂的轮毂更缩入轮拱内。当然，ET值不仅仅影响到视觉上的变化，它还会与车辆的转向特性、车轮定位角度都有关系，差距过大的偏距值可能导致轮胎不正常磨耗，轴承易磨损，甚至根本无法正常安装（刹车系统与轮毂相互摩擦无法正常转动），而大多数情况下，同一个品牌的同一款样式的轮毂会提供不同ET值可以选择，改装之前要考虑综合因素，最保险的情况是在不改装刹车系统的前提下，保持改装轮毂的ET值与原厂ET值相同。图4-