汽车零部件的失效模式及可靠性设计学士学位论文.docx
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汽车零部件的失效模式及可靠性设计学士学位论文
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：
浙江师范大学本科毕业设计（论文）正文
目录
摘要1
关键词1
1引言1
1.1零部件的失效模式的介绍1
1.2可靠性发展史2
1.2.1国外可靠性发展史2
1.2.2国内可靠性发展史3
2汽车零部件的失效模式分析4
2.1磨损4
2.1.1磨料磨损及其工作环境4
2.1.2粘着磨损及其工作环境4
2.1.3表面疲劳磨损及其工作环境5
2.1.4腐蚀磨损及其工作环境5
2.1.5微动磨损及其工作环境6
2.2疲劳断裂6
2.3腐蚀6
2.4变形7
2.4.1弹性变形失效7
2.4.2塑性变形失效7
2.4.3蠕变失效7
2.5老化7
3可靠性概念及可靠性设计方法介绍7
3.1可靠性概念7
3.2可靠性设计方法9
3.2.1TTCP法9
3.2.2概率设计10
3.2.3失效模式、影响及致命度分析（FMECA）10
4基于有限元的可靠性实例设计分析12
4.1有限元介绍12
4.2汽车轮毂的介绍14
4.2.1轮毂的组成与参数14
4.3有限元分析16
4.3.1起亚K5轮毂建模16
4.3.2轮毂有限元分析过程16
4.3.3轮毂有限元分析的结果16
4.4轮毂的失效分析与改进设计17
4.4.1厚度对轮毂失效的影响18
4.4.2杂质对轮毂失效的影响18
4.4.3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AutodeskInventor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
FailureModeandreliabilityofautomotivecomponentsdesign
Instituteoftechnologyvocationalandtechnicalcollegeofeducation
AutoRepairEngineeringEducationWangLihui10520131
Director：
CaoZhenxinTitle:
AssociateProfessor
Abstract:
Inordertostudythecauseoflossoffunctionofautoparts,features,andlawsrelatedtothecombinationofreliabilitydesignmethodcaneffectivelyimproveandenhanceitsreliability.Proposedseveralfailuremodesandtheirworkingenvironmentandreliabilityofautomotivecomponentsdesign.AndtheuseofAutodeskInventorsoftwarehubforKiaK5finiteelementanalysis,andproposedimprovementswheels.
KeyWord:
Autopartsfailuremodes；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20μm～30μm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XX），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100μm），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
3.2.1TTCP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。
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