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【摘 要】随着人们生活水平的不断提高，私人轿车的拥有量也在逐年上升，汽车的品质和可靠性是人们一直关心的问题之一。随着世界科学技术的不断发展，现今汽车机械零件的可靠性已经达到相当完美的程度，其用户可以不用担心汽车因其机械零部件故障造成的事故和停止使用，这也是促进汽车产品大量普及的重要原因之一。基于此，本文就汽车机械零件可靠性设计进行分析与研究。
【关键词】汽车；机械零件；可靠性设计
引言：
随着我国科学技术的不断发展，我国的汽车制造行业也有了飞速发展。但是与其他先进国家相比，我国汽车产品的可靠性还存在着较多的问题，汽车的故障给汽车用户带来的是不可估量的损失。
造成这种现状的主要原因之一，是我国的可靠性工程设计技术的应用和推广起步较晚，虽然近些年来发展势头迅猛，但是仍摆脱不了“先天不足”的缺陷，由此提高和改善我国汽车机械零件的可靠性以及保证相关技术快速稳健的发展已经成为当务之急。
一、机械零件的主要失效形式及相关因素
（一）整体断裂
零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于其一危险剖面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂，或者零件在受变应力作用时，危险剖面上发生的疲劳断裂均属此类。
（二）过大的残余变形
如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生残余变形。
（三）零件的表面破坏
零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学腐蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀，从而使零件表面遭到破坏。与此同时，对于承受变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳的现象。
磨损是两个接触表面在做相对运动的过程中发生物质丧失或转移的现象。零件表面的疲劳是受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。腐蚀、磨损和接触疲劳都是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式。
处于潮湿空气中或与水、汽及其他腐蚀性介质相接触的金属零件，均有可能发生腐蚀现象；所有做相对运动的零件接触表面均有可能发生磨损；而在接触变应力条件下工作的零件表面也有可能发生接触疲劳。
（四）破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作。例如，液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常地工作；带传动与摩擦轮传动，只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常地工作；高速转动的零件，只有其转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔时才能正常地工作等。如果破坏了这些必备的条件，则将发生不同类型的失效。
例如：滑动轴承将发生过热、胶合、磨损等形式的失效；带传动将发生打滑的失效；高速转子将发生共振从而使振幅增大，以致引起断裂的失效等。
零件到底以经常发生那种形式的失效，这与很多因素有关，并且在不同行业和不同的机器上也不尽相同。根据相關经验数据分类结果来看，由于腐蚀、磨损和各种疲劳破坏所引起的失效占了 73.88%，而由于断裂所引起的失效只占 4.79%。所以可以说，腐蚀、磨损和疲劳是引起零件失效的主要原因。
二、机械零件可靠性设计理念研究
（一）可靠性优化设计
可靠性优化设计是在可靠性基础上进行优化设计。既能定量地满足产品在运行中的可靠性。又能使产品的尺寸、成本、质量、体积和安全性等参数得到优化。
从而保证结构的预测工作性能与实际工作性能更符合。该方法将可靠性分析理论与数学规划方法有机地结合在一起，在对各参数进行可靠性优化设计时。
首先以机械零件的可靠度作为优化的目标函数，使零件的某些指标、成本、质量、体积或尺寸最小化，再以强度、刚度、稳定性等设计要求为约束条件建立可靠性优化设计数学模型。根据模型的规模、性态、复杂程度等因素选择合适的优化方法，最后求出最优设计变量。
（二）可靠性稳健设计
稳健设计能使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的变异不敏感，并使产品在其寿命周期内，不管其参数、结构发生漂移或老化的小范围内，都能持续可靠地工作的一种设计方法。可靠性稳健设计在设计阶段通过灵敏度分析，使产品在不消除和不减少不确定性因素的情况下。通过设计使不确定性因素对产品质量影响的敏感程度最小，从而提高产品质量和降低产品成本。
（三）可靠性灵敏度设计
可靠性灵敏度设计是在可靠性基础上进行灵敏度设计，充分反映各设计参数对机械产品失效影响的不同程度。
便于找出哪些随机变量对机械零件可靠性设计的敏感性影响较大，并对此参数进行重新分析和再设计。
通过估计设计变量变差和约束变差对质量性能指标影响的大小，改变设计参数中影响较大的参数以使产品对可控因素变差和不可控因素变差的影响失去灵敏性。
可靠性灵敏度设计首先建立极限状态方程，然后对各设计参数求偏导数，得到可靠性的灵敏度计算公式，进而确定各设计参数的灵敏度，用灵敏度数值作为再设计时修改设计参数的依据，从而使得参数修改和再设计工作事半功倍。
（四）可靠性试验
可靠性试验是对产品的可靠性进行调研分析和评价的一种手段。其目的是发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷。为改善产品的战备完好性，提高任务成功率，减少维修费用及保障费用提供信息。确认是否符合可靠性定量要求，我们通过试验一方面要获取可靠性数据。
另一方面要通过产品在试验中发生的各种故障，找出其原因并进行细致的分析和研究以提高产品的可靠性。但实际机械零件的设计方案如果有改变，就必须重新进行一次试验分析，这需要花费很大的人力、物力和财力。
所以在可靠性试验前利用一些高性能的软件进行模拟分析能减少试验次数，节约时间和研究基金。 （五）传统设计方法与可靠性设计相结合
目前采用概率设计法的概念去完善和改进传统的安全系数，使可靠性和安全系数直接联系。广泛应用现有的各种设计方法对产品进行设计计算，并与采用可靠性概率设计方法得出的结果以及实物试验的结果进行比较，从而积累经验，收集和整理可靠性设计。
三、汽车机械零件可靠性设计的主要内容
（一）从系统方面考虑
1.确定汽车机械零件可靠性数据指标，主要是根据市场、用户要求以及使用环境，进而明确汽车系统的可靠性要求；2.确定汽车机械零件的工作环境以及汽车的工作环境，例如气候条件、道路条件、载运条件等等；3.决定易操作性基本要求（人机可靠性），如自动变速器、自动摇窗机、转向器变位能力、制动助力装置等等。4.决定维修性基本要求，在维修性设计时，应采用修复容易的结构、维修方式及诊断方式。 5.各项指标的综合平衡不仅要考虑可靠性和维修性，同时要考虑其它质量要素，如重量、尺寸。外观等，并把功能，成本费用包括在内，都应取得平衡，当某些方面矛盾突出时，应当以求得安全性、可靠性、耐久性为优先。某些方面也可采用折中处理。
（二）从零部件方面考虑
首先应该确定总成或零件的可靠性要求，然后制定出零件可靠性一览表和高可靠性零件一览表，并在其中指出可靠性不佳的零件，确定零件的使用寿命。
计算去顶零件的失效率，并对重要的零件采用概率设计方法，同时对关键零件制定可靠性试验计划。在对汽车机械零件进行设计是采用标准间和质量稳定、设计成熟、制造水平高的零部件对其进行组装安装。在重要零件及部件上装设自动监视、故障显示、自动校正装置。
结束语
可靠性是产品的一种动态质量指标。在现代化生产中已经贯穿在产品的开发、设计、制造、试验，使用及维修保养的各个环节之中。对于可靠性知识掌握越多，主观经验的运用就会越少，自然机械结构的设计也就越合理。
这正是机械工程技术研究追求的目标。本文通过了解机械工程结构可靠性的研究不仅仅在理论上有许多重大问题需要解决，而且将其应用到机械结构设计、评估及维修决策之中尚有许多细致的工作要做。
参考文献：
[1]邱继伟，张瑞军，丛东升，郭楠. 机械零件可靠性设计理论与方法研究[J]. 工程设计学报，2011，06：401-406+411.
[2]莫才颂，千学明. 机械零件强度的模糊可靠性设计分析[J]. 机械设计与制造，2007，04：33-34.
[3]吴明. 气泡膜机可靠性设计方法与应用的研究[D].广东工业大学，2014.
[4]王志會. 机械零件可靠性与安全系数分析及软件实现[D].东北大学，2010.
[5]王新刚. 机械零部件时变可靠性稳健优化设计若干问题的研究[D].东北大学 ，2009.
[6]张思，周思柱，李美求，马培勇. 基于VB与Matlab混合编程的机械零件可靠性设计[J]. 机械，2014，06：44-48.
【关键词】汽车；机械零件；可靠性设计
引言：
随着我国科学技术的不断发展，我国的汽车制造行业也有了飞速发展。但是与其他先进国家相比，我国汽车产品的可靠性还存在着较多的问题，汽车的故障给汽车用户带来的是不可估量的损失。
造成这种现状的主要原因之一，是我国的可靠性工程设计技术的应用和推广起步较晚，虽然近些年来发展势头迅猛，但是仍摆脱不了“先天不足”的缺陷，由此提高和改善我国汽车机械零件的可靠性以及保证相关技术快速稳健的发展已经成为当务之急。
一、机械零件的主要失效形式及相关因素
（一）整体断裂
零件在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时，由于其一危险剖面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂，或者零件在受变应力作用时，危险剖面上发生的疲劳断裂均属此类。
（二）过大的残余变形
如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生残余变形。
（三）零件的表面破坏
零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学腐蚀现象。腐蚀的结果是使金属表面产生锈蚀，从而使零件表面遭到破坏。与此同时，对于承受变应力的零件，还要引起腐蚀疲劳的现象。
磨损是两个接触表面在做相对运动的过程中发生物质丧失或转移的现象。零件表面的疲劳是受到接触变应力长期作用的表面产生裂纹或微粒剥落的现象。腐蚀、磨损和接触疲劳都是随工作时间的延续而逐渐发生的失效形式。
处于潮湿空气中或与水、汽及其他腐蚀性介质相接触的金属零件，均有可能发生腐蚀现象；所有做相对运动的零件接触表面均有可能发生磨损；而在接触变应力条件下工作的零件表面也有可能发生接触疲劳。
（四）破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作。例如，液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常地工作；带传动与摩擦轮传动，只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常地工作；高速转动的零件，只有其转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔时才能正常地工作等。如果破坏了这些必备的条件，则将发生不同类型的失效。
例如：滑动轴承将发生过热、胶合、磨损等形式的失效；带传动将发生打滑的失效；高速转子将发生共振从而使振幅增大，以致引起断裂的失效等。
零件到底以经常发生那种形式的失效，这与很多因素有关，并且在不同行业和不同的机器上也不尽相同。根据相關经验数据分类结果来看，由于腐蚀、磨损和各种疲劳破坏所引起的失效占了 73.88%，而由于断裂所引起的失效只占 4.79%。所以可以说，腐蚀、磨损和疲劳是引起零件失效的主要原因。
二、机械零件可靠性设计理念研究
（一）可靠性优化设计
可靠性优化设计是在可靠性基础上进行优化设计。既能定量地满足产品在运行中的可靠性。又能使产品的尺寸、成本、质量、体积和安全性等参数得到优化。
从而保证结构的预测工作性能与实际工作性能更符合。该方法将可靠性分析理论与数学规划方法有机地结合在一起，在对各参数进行可靠性优化设计时。
首先以机械零件的可靠度作为优化的目标函数，使零件的某些指标、成本、质量、体积或尺寸最小化，再以强度、刚度、稳定性等设计要求为约束条件建立可靠性优化设计数学模型。根据模型的规模、性态、复杂程度等因素选择合适的优化方法，最后求出最优设计变量。
（二）可靠性稳健设计
稳健设计能使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的变异不敏感，并使产品在其寿命周期内，不管其参数、结构发生漂移或老化的小范围内，都能持续可靠地工作的一种设计方法。可靠性稳健设计在设计阶段通过灵敏度分析，使产品在不消除和不减少不确定性因素的情况下。通过设计使不确定性因素对产品质量影响的敏感程度最小，从而提高产品质量和降低产品成本。
（三）可靠性灵敏度设计
可靠性灵敏度设计是在可靠性基础上进行灵敏度设计，充分反映各设计参数对机械产品失效影响的不同程度。
便于找出哪些随机变量对机械零件可靠性设计的敏感性影响较大，并对此参数进行重新分析和再设计。
通过估计设计变量变差和约束变差对质量性能指标影响的大小，改变设计参数中影响较大的参数以使产品对可控因素变差和不可控因素变差的影响失去灵敏性。
可靠性灵敏度设计首先建立极限状态方程，然后对各设计参数求偏导数，得到可靠性的灵敏度计算公式，进而确定各设计参数的灵敏度，用灵敏度数值作为再设计时修改设计参数的依据，从而使得参数修改和再设计工作事半功倍。
（四）可靠性试验
可靠性试验是对产品的可靠性进行调研分析和评价的一种手段。其目的是发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷。为改善产品的战备完好性，提高任务成功率，减少维修费用及保障费用提供信息。确认是否符合可靠性定量要求，我们通过试验一方面要获取可靠性数据。
另一方面要通过产品在试验中发生的各种故障，找出其原因并进行细致的分析和研究以提高产品的可靠性。但实际机械零件的设计方案如果有改变，就必须重新进行一次试验分析，这需要花费很大的人力、物力和财力。
所以在可靠性试验前利用一些高性能的软件进行模拟分析能减少试验次数，节约时间和研究基金。 （五）传统设计方法与可靠性设计相结合
目前采用概率设计法的概念去完善和改进传统的安全系数，使可靠性和安全系数直接联系。广泛应用现有的各种设计方法对产品进行设计计算，并与采用可靠性概率设计方法得出的结果以及实物试验的结果进行比较，从而积累经验，收集和整理可靠性设计。
三、汽车机械零件可靠性设计的主要内容
（一）从系统方面考虑
1.确定汽车机械零件可靠性数据指标，主要是根据市场、用户要求以及使用环境，进而明确汽车系统的可靠性要求；2.确定汽车机械零件的工作环境以及汽车的工作环境，例如气候条件、道路条件、载运条件等等；3.决定易操作性基本要求（人机可靠性），如自动变速器、自动摇窗机、转向器变位能力、制动助力装置等等。4.决定维修性基本要求，在维修性设计时，应采用修复容易的结构、维修方式及诊断方式。 5.各项指标的综合平衡不仅要考虑可靠性和维修性，同时要考虑其它质量要素，如重量、尺寸。外观等，并把功能，成本费用包括在内，都应取得平衡，当某些方面矛盾突出时，应当以求得安全性、可靠性、耐久性为优先。某些方面也可采用折中处理。
（二）从零部件方面考虑
首先应该确定总成或零件的可靠性要求，然后制定出零件可靠性一览表和高可靠性零件一览表，并在其中指出可靠性不佳的零件，确定零件的使用寿命。
计算去顶零件的失效率，并对重要的零件采用概率设计方法，同时对关键零件制定可靠性试验计划。在对汽车机械零件进行设计是采用标准间和质量稳定、设计成熟、制造水平高的零部件对其进行组装安装。在重要零件及部件上装设自动监视、故障显示、自动校正装置。
结束语
可靠性是产品的一种动态质量指标。在现代化生产中已经贯穿在产品的开发、设计、制造、试验，使用及维修保养的各个环节之中。对于可靠性知识掌握越多，主观经验的运用就会越少，自然机械结构的设计也就越合理。
这正是机械工程技术研究追求的目标。本文通过了解机械工程结构可靠性的研究不仅仅在理论上有许多重大问题需要解决，而且将其应用到机械结构设计、评估及维修决策之中尚有许多细致的工作要做。
参考文献：
[1]邱继伟，张瑞军，丛东升，郭楠. 机械零件可靠性设计理论与方法研究[J]. 工程设计学报，2011，06：401-406+411.
[2]莫才颂，千学明. 机械零件强度的模糊可靠性设计分析[J]. 机械设计与制造，2007，04：33-34.
[3]吴明. 气泡膜机可靠性设计方法与应用的研究[D].广东工业大学，2014.
[4]王志會. 机械零件可靠性与安全系数分析及软件实现[D].东北大学，2010.
[5]王新刚. 机械零部件时变可靠性稳健优化设计若干问题的研究[D].东北大学 ，2009.
[6]张思，周思柱，李美求，马培勇. 基于VB与Matlab混合编程的机械零件可靠性设计[J]. 机械，2014，06：44-48.