汽车可靠性理论
汽车耐久性可靠性理论与实践
10.16638/ki.1671-7988.2020.12.045汽车耐久性可靠性理论与实践宋磊，刘风华，何帆影，黄勤（江西五十铃汽车有限公司产品开发技术中心，江西南昌330001）摘要：汽车耐久可靠性评价经常由于概念的混淆及样本量的限制导致评价偏差，甚至于部分车企只是盲目的进行道路试验，对于试验过程中的故障、失效并未做科学的统计分析，从而陷入路试、整改、再验证的死循环中，浪费了大量资源，文章基于对耐久性与可靠性的定义解读借助可靠性统计分析的数学方法将耐久可靠性的评价进行量化以帮助耐久可靠性工程师能够客观评估产品的耐久可靠性水平。
关键词：B10寿命；故障率1/MTBF；可靠度函数F（t）中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)12-146-03Vehicle Durability and Reliability Theory and PracticeSong Lei, Liu Fenghua, He Fanying, Huang Qin( Jiangxi ISUZU Motors Company, Product Development Technology Center, Jiangxi Nanchang 330001 )Abstract:As durability and reliability is similar in concept, and the vehicle test sample is always be limited so some company just arrange vehicle to run road test but do not analysis the test defect then they fall in a dead cycle: test_defect solve_revalidation and don’t know the durability and reliability level of their product, so we need to find a way to give a normative evaluation assessment.Keywords: B10 durability life; Failure rate 1/MTBF; Reliability function F(t)CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2020)12-146-03引言汽车耐久可靠性是车辆最重要的性能之一，它是用户最为关心的性能，关系到出车率和使用率，耐久可靠性差会直接影响到产品销售。
汽车可靠性概述
故障概率密度
由概率论知：若故障分布函数连续可导，则故障密度函数可求导得出 ：
F t
t
0
f
t dt
则
Rt
1
F t
1
t
0
f
t dt
0
f
t dt
上式表示产品出现故障的概率随时间变化的规律。即反映了单位时 间的失效概率。
汽车可靠性概述
故障率
定义：工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生 故障的概率，称为该产品在t时刻的故障率，记为 。
于先生：惊讶的目光
服务小姐主动解释说：“我刚刚查过电脑记录，您在去年的6月8 日在靠近第二个窗口的位子上用过早餐”
“老位子！老位子！” “老菜单？一个三明治，一杯咖啡，一个鸡蛋？”
“老菜单，就要老菜单！”
后面的三年的时间没有再到泰国去。 在于先生生日的时侯突然收到了一封东方饭店发来的生日贺卡，里面还附了 一封短信， 内容是：亲爱的于先生，您已经有三年没有来过我们这里了，我们全体人员 都非常想念您，希望能再次见到您。今天是您的生日，祝您生日愉快。
第5章 汽车零件的修复的内容
5.1汽车零件的修复方法 5.2零件修复方法的选择
第6章 汽车主要总成机械系统的修理的内容
6.1发动机的修理 6.2汽车底盘的修理 6.3汽车电气设备维修 6.4汽车车身的修理
第7章 汽车维修质量及评价的内容
7.1质量概述 7.2质量分析法 7.3质量保证体系 7.4汽车维修质量的评价
第三阶段：（六十年代）普及期
（可靠性工程从电子工业向其他工业部门迅速推广）
第四阶段：（七十年代以来）成熟期
（可靠性技术成为解决产品责任问题的重要手段 ）
汽车可靠性 第二章
14/106
汽车可靠性技术
第七讲
主讲教师：杨志发
学时：32
二、可靠性函数
2.1 可靠度函数
1）可靠度函数的定义
可靠度(Reliable)的定义：产品在规定的条件下，在规定 的时间内完成规定功能的概率，称为可靠度。这种用概率来度 量可靠度的函数，称可靠度函数，简称可靠度，用R(t)表示。
N0 n(t ) R(t ) N0
平均故障前时间(MTTF)
设 N 0 个不可修复的产品在同样条件下进行试 验，测得其全部故障时间为 t1 , t2 ,, tN 。其平均故
0
障前时间（用符号 TTF 表示）为：
TTF
1 N0
t
i 1
N0
i
当 N 0 趋向无穷时， TTF 为产品故障时间这一随机变 量的数学期望，因此，
TTF tf (t )dt
1 F (t )
[0，1] 非减函数
1 R(t )
20/106
2.2 失效概率分布函数
由密度函数的性质
0
f (t )dt 1 可知：
t 0 t
R(t ) 1 F (t ) 1 f (t )dt f (t )dt
因此， R(t ) 、 F (t ) 与 f (t ) 之间的关系如图所示。
24/106
2.3 失效率函数
故障率与可靠度、故障密度函数的关系
dn(t ) dn(t ) N0 (t ) f (t ) (t ) N s (t )dt N0 (t )dt N s (t ) R(t )
由于 f (t ) dR (t )
dt
，所以：
dR(t ) (t )dt R (t )
第一章汽车可靠性理论基础
（五）平均无故障工作时间
对可维修产品，平均无故障工作时间是指 汽车故障的平均间隔时间，记为MTBF 。
1 MTBF ti N i 1
N
（六）平均首次故障时间
平均首次故障时间是指汽车产品首次 故障时间的平均值。
1 MTTF t ( n n ) t i n
指数分布是连续型随机变量分布形式中最基本的一种，经 常用来描述产品的寿命。
指数分布的密度函数 可靠度函数
指数分布的累积分布函数
f (t ) e
t
R(t ) e
t
t
F (t ) 1 e
（二）正态分布
正态分布是一种最常用的连续型分布，它可以用来描述许多自然现 象和各种物理性能，也是机械制造、科学实验及测量技术进行误差分析 的重要工具。
x
3．正态分布的可靠度函数
R( x) f ( x)dx
x
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
x
(x ) exp[ ]dx 2 2
2
4．正态分布的寿命特征值
平均寿命：
E( X )
d(X )
2
方差寿命： 可靠寿命：
中位寿命：
TR U p
T (0.5)
（三）对数正态分布
尺寸参数不影响曲线变化的形状和位置，只是改变曲线纵横坐 标的标尺。如图所示
图：尺度参数对 f (t )的影响
3．位置参数r
参数r不同时，威布尔分布的概率密度曲线形状不变，只是曲线起点的位 置发生变化。参数r增大，曲线沿着横轴正方向平行移动，如图所示。
图：位置参数对
f (t )的影响
第三节 汽车可靠性分析
汽车的可靠性
汽车的可靠性1 可靠性的定义广义可靠性由三大要素构成：可靠性、耐久性和维修性。
通常所说的可靠与不可靠，只是对汽车本身的质量而言。
1.1可靠性汽车的可靠性是指汽车产品在规定的使用条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
汽车可靠性包括四个因素：汽车产品、规定条件、规定时间和规定功能。
汽车产品是指汽车整车、总成或零部件，它们都是汽车可靠性研究的对象。
规定条件是指规定的汽车产品工作条件，它包括：气候情况、道路状况、地理位置等环境条件，载荷性质、载荷种类、行驶速度等运行条件，维修方式、维修水平、维修制度等维修条件，存放环境、管理水平、驾驶技术等管理条件。
规定时间是指规定的汽车产品使用时间，它可以是时间单位（小时、天数、月数、年数），也可以是行驶里程数、工作循环次数等。
在汽车工程中，保修期、第一次大修里程、报废周期都是重要的特征时间。
规定功能是指汽车设计任务书、使用说明书、订货合同及国家标准规定的各种功能和性能要求。
不能完成规定功能就是不可靠，称之为发生了故障或失效。
根据故障的危害程度不同．汽车故障通常分类：1）致命故障。
指危及人身安全、引起主要总成报废、造成重大经济损失、对周围环境造成严重危害的故障。
2）严重故障。
指引起主要零部件或总成损坏、影响行驶安全、不能用易损备件和随车工具在短时间（30min）内排除的故障。
3）一般故障。
指不影响行驶安全的非主要零部件故障，可用易损备件和随车工具在短时间（30min）内排除。
4）轻微故障。
指对汽车正常运行基本没有影响，不需要更换零部件，可用随车工具（5min内）较容易排除的故障。
1.2 汽车的耐久性：是指汽车进入极限技术状态之前，经预防维修（不更换主要总成和大修）维持工作能力的性能。
1.3维修性：是指在规定条件下使用的产品，在规定时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。
1.4 汽车的使用期限：是指新车开始使用直至报废为止的使用延续时间（或行程）。
第一章 汽车可靠性理论基础
§1-2 汽车故障类型及故障分布规律
一、汽车故障的概念及类型 （一）故障 1.故障的定义：产品在规定的条件下，在规定时间内，不 能完成规定功能的现象。故障的表现形式称为故障的模 式。
本质故障：由汽车本身的原因而引起的故障。 按使用过程分 误用故障：由操作者失误而引起的故障。
一次故障：最初发生的故障。 按原因后果分 二次故障：由一次故障导致发生的相关故障或上一级系统 的故障。
致命故障ε1=100 严重故障ε2=10 一般故障ε3=1 轻微故障ε4=0.2
（五）平均无故障工作时间：汽车故障的平均间隔时间，记为 MTBF
（六）平均首次故障时间：汽车产品首次故障时间的平均值。记 为MTTF
（七）平均维修时间：修复时间的平均值,记为寿命t的函数，是用可靠度函 数R（t）表示的，故对于一批产品而言，当给定时间t，就确定 了相应的可靠度，反之，若确定了可靠度，即可求出相应的寿 命，以TR表示。
4.汽车可靠性综合评定
第一章 汽车可靠性理论基础
教学目标： 1.了解汽车可靠性综合评定方法 2.熟悉可靠性基本理论、汽车可靠性的数据采集及 可靠性数据分析 3.掌握汽车可靠性的基本定义及评价指标
4.掌握汽车故障的类型及分布规律
§1.1 汽车可靠性概述
一、可靠性简介 （一）汽车可靠性的定义 1、可靠性:指产品在规定的使用条件下和规定的时间内完成规定功 能的能力。 ⑴可靠性的四要素： a.产品：整车、部件、零件 b.规定条件：环境条件（气候、道路）； 运行条件（载荷性质、种类、行驶速度）； 维修条件（维修方式、水平、制度） c.规定时间：保用期、第一次大修里程、报废期 d.规定功能：设计任务书、使用说明书、订货合同
（三）汽车可靠性分配 1、汽车可靠性分配的定义
第一章汽车可靠性理论基础
第十九页，编辑于星期五：十六点 十六分。
2.正态分布
变量的概率密度函数为：
f (t)
1
2
exp
1 2
t
2
,
t
其累积故障概率分布为：
t
t
F (t) f (t)dt
1
exp
1
t
2
dt,
t
可靠度函数为：
2 2
R(t) 1 F(t) t f (t)dt
2. 有效寿命
从浴盆曲线中，偶然故障期故障率最低且稳定，可以说是是最佳状 态期，这一时期称为有效寿命期。
3. 特征寿命
指设备故障概率F(t)=63.2%状况下，设备运行时间。
4. 额定寿命
指设备故障概率为10％，可靠度R(t)=90%，设备的运行时间
5. 平均寿命
可维产品平均无故障工作时间，即MTBF；不可维的平均寿终运行时间 MTTF。
1
曲线就展开得越平坦，但曲线下面所包容的面积2均 等于1。
值越大，
第二十页，编辑于星期五：十六点 十六分。
0, 1时的正态分布称为标准正态分布。
查表计算时，给定的是标准正态分布，这样就要把非标准正态分布转化为标 准正态分布。
转换系数： Z t
进行参数估计常用的是3 区 间估计，即： [ 3 , 3 ]
3）探讨使用寿命理论和方法 4）研究汽车技术状况诊断理论与技术
第二页，编辑于星期五：十六点 十六分。
3. 维修理论的发展状况 60年代，计划预防维修理论为主：
影响汽车技术状况的零件技术状况有规律可遵循 维修工作必须在故障发生前进行 维修工作量是强制性的、定期的
维修工作量取决于汽车可靠性和技术状况
汽车可靠性理论基础
图１－５ 串、并联组合系统
图１－６等效串联系统
其系统可靠度为：
RS=RARB+RARC-RARBRC
汽车维修工程
（三）汽车可靠性分配 1、汽车可靠性分配的定义
第1章 汽车可靠性理论基础
根据系统设计所确定的汽车可靠性指标值，合理地将指标分 配于系统各单元的设计过程。
2、汽车可靠性分配的目的和作用
（1）通过可靠性分配，确定汽车系统的可靠性指标。 （2）通过可靠性分配，确定各子系统的可靠性指标。 （3）通过可靠性分配，有利于加强设计部门间的联络和配合。 （4）通过可靠性分配，有利于增强设计者的全局观念。
式中：n—样车数 t—时间 rj—第j类故障数， εj—第j类故障的当量系数。 汽车故障一般分成4类:
致命故障ε1=100 严重故障ε2=10 一般故障ε3=1 轻微故障ε4=0.2
汽车维修工程
第1章 汽车可靠性理论基础
（五）平均无故障工作时间：汽车故障的平均间隔时间，记为 MTBF
（六）平均首次故障时间：汽车产品首次故障时间的平均值。记 为MTTF
汽车维修工程
§1-2 汽车故障类型及故障分布规律
第1章 汽车可靠性理论基础
一、汽车故障的概念及类型 （一）故障 1.故障的定义：产品在规定的条件下，在规定时间内，不 能完成规定功能的现象。故障的表现形式称为故障的模 式。
本质故障：由汽车本身的原因而引起的故障。 按使用过程分 误用故障：由操作者失误而引起的故障。
一次故障：最初发生的故障。 二次故障：由一次故障导致发生的相关故障或上一级系统 的故障。
按原因后果分
汽车维修工程
2.故障的分类
（1）按故障模式分：
第1章 汽车可靠性理论基础
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基本特征：失效率近似等于常数，失效率低且性能 稳定，失效偶然发生。原因是各种失效因素或承受应 力的随机性，由于操作疏忽、润滑不良、维护欠佳等。
C：耗损失效期：
基本特征：随时间延长，失效率急剧加大。原因是 汽车产品老化而衰竭引起。
第一节：汽车可靠性概述
5、平均寿命与可靠寿命 （1）平均寿命：标志产品平均能工作多长时间，对整批
长而逐渐加剧。 （2）按《汽车产品质量检查评定办法》蓝皮书规定分： 致命故障：危及人身安全，引起主要总成件报废。 严重故障：引起主要部件、总成损坏或影响行车安全，不能短时
间排除。 一般故障：不影响行车安全的非主要零部件故障，短时间能排除。 轻微故障：对汽车正常运行基本没有影响，不需要更换零部件，
随车工具就能排除。
第一节：汽车可靠性概述
（3）故障率函数曲线：寿命曲线或浴盆曲线，描 述失效率随时间而变化的规律。
失效率 早期失效率A
耗损失效率C
偶然失效期B
经维修下降的故障
0
有效寿命t
T
第一节：汽车可靠性概述
A：早期失效期：
基本特征：开始失效率较高，随时间推移，逐渐降 低，原因是设计、制造、管理、检验及装配差错引起。
1、可靠度R（t）：汽车在规定条件、规定时间 内
完成规定功能的概率。
R(t)=P(A) 0≦P(A)≦1
2、失效度F（t）（累积故障概率、不可靠度）： 汽车在规定条件、规定时间内丧失规定功能的 概率。
R(t) +F（t）=1
三：可靠性衡量指标
F(t)
R(t)
1 1
0
t
0
ห้องสมุดไป่ตู้
t
第一节：汽车可靠性概述
3、故障概率密度函数f(t)：失效率对时间的分布函 数
产品而言的一个指标。 数学期望值：E（T）=∫tf(t)dt产品的平均寿命。 对于可维修产品（MTBT：Mean time between
failure）指产品的平均无故障工作时间； 对于不可维修产品（MTTF：Mean time to failure）
指产品的平均寿终时间； （2）可靠寿命（tR表示）：由可靠度函数R（t）得知： 1）特征寿命：可靠度R=exp(-1)=36.8%的可靠寿命。 2）中位寿命：可靠度R=50%的可靠寿命。 3）额定寿命：可靠度R=90%的可靠寿命。
第一章：汽车可靠性理论基础
内容：1、汽车可靠性概述； 2、汽车故障类型及故障分布规律； 3、汽车可靠性数据的采集与分析。
要求：1、了解可靠性数据的采集与分析； 2、掌握可靠性基本概念与汽车故障模式及
故障类型。
第一章：汽车可靠性理论基础
第一节：汽车可靠性概述
一：可靠性历史 摇篮期：第二次世界大战。 奠基期：20世纪50年代。 普及期：1960年以后。 成熟期：20世纪70年代。
第二节：汽车故障类型及故障分布规律
一、汽车故障概念及类型 1、概念：汽车故障是指汽车在规定条件和规定时间内，
不能完成规定功能的现象。 2、模式： 1）损坏型故障：断裂、碎裂、开裂、烧蚀、变形、拉伤
等。 2）退化型故障：老化、变质、剥落、异常磨损。 3）松脱型故障：松动、脱落等。 4）失调型故障：压力过高或过低、行程失调、间隙过大
第三节：汽车可靠性数据的采集与分析
一、汽车可靠性数据的采集 1、可靠性试验 （1）目的： 1）为研制新产品，发现弱点而改进。 2）确认零件的设计任务书。 3）接受零件和保证质量。 4）审查制造工艺的好坏。
一、汽车可靠性数据的采集
（2）可靠性试验分类
寿命试验：为确定产品寿命分布及特征值而进行的 台架和试验场试验。一般采用加速寿命试验，分 为破坏性和非破坏性试验。
一、汽车可靠性数据的采集
d F（t） d[1- R(t)]
dR(t)
f(t)=
=
=-
dt
dt
dt
失效度F（t）=1-R(t)
第一节：汽车可靠性概述
4、故障率函数 （1）概念：故障率函数也称失效率函数，是指产
品到t时刻为止未发生故障，在该时刻后发生故 障的概率，用λ（t）表示，可以表述产品在整 个寿命期内出现故障的可能性。 （2）故障率函数和其他函数的关系。 1）与失效分布密度函数f(t)的关系。 2）与可靠度函数R(t)的关系。 3）与失效概率分布函数F（t）的关系。
规定功能的能力（四要素：产品、条件、时 间、功能） 产品：整车、部件、零件 规定条件：环境条件（气候、道路）；
运行条件（载荷性质、种类、行驶速 度）；
维修条件（维修方式、水平、制度） 规定时间：保用期、第一次大修里程、报废期 规定功能：设计任务书、使用说明书、订货合同
第一节：汽车可靠性概述
三：可靠性衡量指标：汽车所具有的质量指标， 取决于正确的使用和维修。
临界试验：为了进一步找出作为零件的弱点，进行 强制性破坏试验，施以破坏性应力，证实零件是 否具有充分的强度。
环境试验：产品在特定的使用环境下进行的使用试 验，如确认汽车在高、低温度状态下的性能。
使用实验：汽车研制出来后抽样送到使用现场进行 实际运行考验，当满足基本使用要求后，才能正 式定型成批生产。
汽车维修工程
汽车维修工程
概念：基于可靠性理论基础上，研究汽车零 部件失效理论、零部件修复方法，组织 汽车维护、修理，保证汽车修复质量的 一门学科。
内容：汽车可靠性理论； 汽车零部件失效理论； 汽车零部件修复方法； 汽车维护基础； 汽车修理工艺； 汽车修理质量控制； 汽车发动机维修； 汽车底盘维修； 汽车车身的修理。
或过小等。 5）堵塞与渗漏型故障：堵塞、气阻、漏油、漏水、等 6）性能衰退或功能失调：功能失效、公害超标、异响、
过热等。
一、汽车故障概念及类型
3、故障分类 （1）按故障率函数特点分：
早期故障型：产品在使用初期发生的可能性大，随时间延长而 逐渐下降。
偶然故障型：故障发生的可能性较小，一般处于正常使用期。 耗损故障型：汽车长期使用，出现的老化衰竭引起，随时间延
可靠性数学理论起源于20世纪30年代，最早研究的领域包括机器 维修、设备更换和材料疲劳寿命等问题。第二次世界大战期间由于 研制使用复杂的军事装备和评定改善系统可靠性的需要，可靠性理 论得到重视和发展。它的应用已从军事部门扩展到国民经济的许多 领域。
第一节：汽车可靠性概述
二：可靠性定义 定义：产品在规定条件下，在规定时间内，完成