摘 要

随着国民经济和现代科学技术的发展，汽车工业迅速地发展起来，汽车生产量和保有量不断地增长且已被普遍使用于国民经济的各个领域。与此同时，随着汽车市场竞争日趋激烈，人们生活水平的不断提高，用户对汽车产品的可靠性、安全性和舒适性的要求越来越高，汽车的种类、结构也愈来愈复杂,由此带来的汽车维修工作量也日益增大，这就要求在维修工作中运用先进技术，从而使维修方式和维修组织更加科学化。汽车是一种复杂而价值较高的机械，要求其应具有较长的使用寿命，然而汽车在长期的使用过程中，由于受各种因素作用，发生故障和损坏是不可避免的。为提高产品的市场竞争力和提高安全性，需要尽早预测出产品可能的失效状态，及时发现危险点，以便进行预防性维修。而预防性维修的关键在于汽车零部件寿命模型的建立，在此基础上提出了本课题。

本文通过对国内外关于零部件寿命的研究发展状况进行比较，在此基础上对汽车整车进行模块分类，分为发动机模块、底盘模块、车身模块和电器与电子设备模块。然后根据寿命周期模型的建立方法，选择汽车模块生命周期模型方案，最终尝试建立发动机模块的生命周期模型。通过分析发动机故障里程数据确定其故障里程函数服从威布尔分布，绘出故障里程概率密度函数、分布函数以及失效率函数曲线，从而得到寿命周期处于哪种故障期。本文涉及的主要研究方法有疲劳分析、寿命S-N预测方法、有限元分析、统计分析和威布尔分布法等等，对零部件的疲劳寿命进行有效的预测，实时了解并掌握在使用过程中各零部件所处状态以进行预防性维修，提高行驶安全性和延长零部件使用寿命，保证汽车的工作能力和可靠性。

关键词：零部件寿命 寿命算法 疲劳分析 统计分析 威布尔分布

Abstract

With the development of our country’s national economy and modern scientific technologies, the auto industry has developed rapidly, and auto production and keep growing volume continues to increase so that it has been used to kinds of fields. At the same time, with furious competition in automobile market and the improvement of people’s living standard, user’s requirement for the reliability, safety and harshness become stronger and stronger, the complexity of its variety and component structure leads to more difficulty in its maintenance in which advanced technologies should be applicated so that the way and organization of maintenance becomes more scientific. Vehicles is a complex and high value of machinery which should have long service life. However, during use of the automobile in the long term, due to various factors, failures and damage is inevitable. To enhance the market competitiveness of products and improve security, need to predict product may fail as soon as possible, find dangerous points in time in order to carry out preventive maintenance. Preventive maintenance model of auto parts is the key life, raised this issue on this basis.

This paper compares the development of study on parts of life at home and abroad, classified the vehicle into four parts, such as engine, chassis, auto body , electrical and electronic equipment. Then according to the method of establishing model of life cycle, select vehicle module life cycle model programmes, eventually attempting to establish a life cycle model of vehicle engine. Through analyzing auto failure mileage data, draw a conclusion that the fault obeys Weibull distribution and draw the curve of probability density function, distribution function and failure rate function so that it can be determinated which period of failure. Main research methods are involved in this article S-N fatigue analysis and life prediction method, finite element analysis, statistical analysis and weibull distribution and so on, on the prediction of fatigue life of components for effective, understood and mastered in the course of using the components in real time the State Department for preventive maintenance, improve security and extend the service life of parts to ensure capability and reliability of the car.

Keywords: parts life lifetime algorithms fatigue analysis statistical analysis Weilbull distribution

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 汽车零部件寿命算法研究的背景和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 汽车零部件寿命算法的研究现状 2

1.2.1 国外汽车零部件寿命算法的研究现状 2

1.2.2 国内汽车零部件寿命算法的研究现状 4

1.2.3 国内外汽车零部件寿命算法研究现状的比较 6

1.3 本文主要内容 6

第二章 汽车零部件分类 7

2.1 零部件分类方法的概述 7

2.2 汽车零部件分类方法的选择 9

2.3 本章小结 10

第三章 汽车各部件寿命算法的研究 11

3.1 寿命算法的概述 11

3.1.1 基本的寿命算法 11

3.1.2 威布尔分布函数 13

3.1.3 有限元法 14

3.1.4 模糊随机概率法 15

3.1.5 算法的实际应用与发展 15

3.2 汽车零部件寿命算法的应用 16

3.2.1 有限元模型在发动机模块的应用 16

3.2.2 应力谱模型在底盘模块的应用 18

3.2.3 计算机仿真技术在车身模块的应用 21

3.2.4 模糊随机概率在电器与电子设备模块的应用 22

3.3 本章小结 24

第四章 威布尔分布算法在汽车生命周期中应用 25

4.1 汽车生命周期的概述 25

4.2 发动机模块故障里程分布的生命周期 27

4.2.1 发动机模块故障数据的收集与处理 28

4.2.2 威布尔分布算法在发动机模块故障里程分布的应用 30

4.2.3 发动机模块故障里程分布的生命周期 33

4.3 本章小结 35

第五章 总结与展望 36

5.1 全文总结 36

5.2 存在的问题与技术展望 36

致 谢 38

参 考 文 献 39

第一章 绪论

1.1 汽车零部件寿命算法研究的背景和意义

1.1.1 研究背景

随着社会的发展科技的进步，汽车工业正日益壮大且逐步成为我国的支柱产业之一。与此同时，随着人们生活水平的提高，人们对汽车的安全性、稳定性以及舒适性的要求愈来愈高，加上国外汽车品牌带来的巨大冲击与挑战，因此，在汽车市场竞争日趋激烈的今天，快速地了解汽车发展趋势，加强自主品牌的研发，通过提高产品性能以满足社会用户需求才能提高产品竞争力，赢得用户的青睐。汽车在道路上行驶时所承受的外部载荷主要是随时间变化的动态随机载荷，在这种力的作用下，汽车的许多零部件都将产生动应力，引起不同程度的疲劳损伤，疲劳损伤是指材料承受高于疲劳极限的交变应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，导致疲劳强度下降的现象。而零件失效的主要形式有变形、断裂、磨损。因此，汽车零部件的疲劳强度和寿命预测是汽车企业急需解决的问题。汽车是一种复杂而又具有较高使用价值的机械，这就要求其应具有较长的使用寿命，而由于各种因素引起的损伤和破坏又不可避免，存在安全隐患。目前，汽车检测系统的维修主要是事后维修。事后维修就是指当设备发生故障或者性能低下后再进行修理。而这种由于偶然性因素导致的维修造成的经济损失比较大，维修时间比较长。怎样来提高维修的效率和质量又成为每个汽车维修企业面临的难题，而采用预防性维修方式便能很好的解决这一问题。预防性维修是指根据设备的运转周期和使用频率而制定的提前进行设备现状确认的维修方式。即提前预测出零部件可能的失效状态，及时发现危险点，以便进行相关的维修处理工作。预防性维修的关键在于汽车零部件寿命周期模型的建立，在此背景基础上提出了本课题。

1.1.2 研究意义

随着汽车种类、结构系统越来越复杂，以及用户要求的不断提高，给汽车维修工作带来了巨大的挑战，对维修技术人员提出了更高的要求。现有的检测技术、维修方式等已经不能满足要求。介于预防性维修的目的，实时获得汽车各零部件在运行过程中所处的状态，提前找到危险点，可以提高汽车系统的可靠性和运行安全性，提高市场竞争力，博得大众的信任。所以，研究汽车的维修方式、检测技术，关键是掌握汽车零部件生命周期模型，具有重要的实用价值和意义，对我国的汽车工业的发展也有着重要的意义。建立零件生命周期模型，将汽车运行参数代入模型，了解其运行状态后，就可做维修保养等操作，从而延长使用寿命，提高使用安全可靠度和汽车的实用价值。总而言之，该课题的研究具有一定的理论价值和实际意义，可为汽车生产、维修企也提供重要的借鉴。

1.2 汽车零部件寿命算法的研究现状

从50年代起，一些工程技术人员和数学家便运用概率论和数理统计方法对产品的可靠性进行了定量研究。随着科技的进步，汽车结构、性能的日趋复杂和提高，使用部门对车辆要求完好可靠等，对汽车工业提出了许多急需研究和解决的问题，可靠性理论也越来越被许多企业关注。为提高汽车品牌的市场占有率和吸引更多的顾客，国内外很多企业都竭尽全力寻找提高汽车使用价值，保证汽车运行安全、节能，降低运行和维修成本等的方法，都对零部件的寿命进行了相关的研究。汽车可靠性比其他汽车性能更具重要性，可靠性差的品牌将失去顾客的信誉，失去市场，从而失去使用价值。可见，汽车的可靠性也是决定市场竞争的一个重要条件。随着可靠性及维修工程的不断发展，先进检测技术的应用以及更科学地掌握设备的故障规律，“以预防为主”的维修思想得到进一步的发展，提出“以可靠性为中心”的维修思想，从而提高了维修效率，减少了维修费用。如前所述，预防维修的关键是建立零部件寿命周期模型，以下对国内外关于零部件寿命及可靠性的研究分别进行概述。

1.2.1 国外汽车零部件寿命算法的研究现状

1885年，德国人格道力普·达姆勒制造了第一辆实验性的燃油四轮汽车，同年卡尔·奔驰也制造了一辆燃油三轮汽车，1885年，在市场上首次出售奔驰汽车，从此，世界上出现了近代汽车，汽车产业也在欧美得到飞速发展。随着汽车技术的发展，特别是现代电子技术、计算机技术的进步，汽车产业的竞争日益激烈，人们对安全性、舒适性等的要求越来越高，为适应汽车产业的发展趋势，争取国际市场的制高点，许多国家在汽车零部件生产上进行了深入的研究。在现实生活中，很多机械的破坏都是因为疲劳破坏。根据国外统计，是失效的机器零件中有50%-90%为疲劳破坏。因此许多发达国家对疲劳强度的研究十分重视。

(一)德国：疲劳问题的研究可追溯到19世纪。金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程师W.A.J.Alber在1829年前后完成的。后W.J.M.Rankine对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。对疲劳现象首先系统研究的实验者是A.Whler,1850年，他设计了第一台用于机车车轴的疲劳试验机，用其进行全尺寸车轴的疲劳试验，于1871年发表的论文，系统论述疲劳寿命和循环应力的和关系，提出利用S-N曲线描述疲劳行为的方法，并提出了疲劳“耐久极限”的概念，确立了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础。从19世纪70年代到90年代，Gerber W.(格伯)开始研究疲劳设计方法，提出考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法，提出Gerber抛物线方程。1910年，Basquin提出描述金属S-N曲线的经验规律。