（1）综述 为了达到产品的可靠性指标而进行的设计，称可靠性设计。其目的是：在达到产品可靠性指标的前提下，配合价值工程设计，尽可能降低产品生命周期总费用。可靠性设计实质上是指在设计开发阶段运用各种技术和方法，预测和预防产品在制造和使用中可能发生的各种偏差、隐患和故障，保证设计一次成功的过程。这就要求设计者除考虑一般的设计特性（如应力、质量、结构等）外，还需要正确评价在产品生命周期内，可能发生的环境条件和材料性能等变化，对产品可靠性的影响，事前采取预防措施，保证可靠性指标的实现。
为了实现产品可靠性设计，必须提高设计人员预测和预防故障的能力，熟悉产品可靠性分析、设计的方法和技术。
（2）可靠性设计的主要内容
1）可靠性分配。可靠性设计的首要任务，是把有限的可用于可靠性工作的资源（人力、物力、资金），安排在效益/成本比最有利的工作项目上。为此，需要研究建立产品的失效判据，按整机可靠性目标，对各组成部分的可靠性进行分配。
2）提高产品薄弱环节的可靠性 提高产品可靠性的关键在于提高其薄弱环节的可靠性。为此，需要进行FMEA和FTA，从而找出薄弱环节，在设计上预先采取预防措施。
3）采用可靠性技术，如4.5.3节所述。
4）可靠性设计管理。可靠性设计管理是可靠性设计的根本保证。为此，需要编制一个可靠性设计的管理规则，并严格予以执行；建立企业的可靠性设计法规，如标准、手册、规范；建立可靠性信息系统；建立可靠性队伍，根据需要可以设立可靠性工作部门或专职人员；控制可靠性设计评审等。
（3）可靠性设计准则 在进行可靠性设计时，应遵循若干基本准则：
1）简化设计。设某产品有k个组成部分并构成可靠性串联系统，第i个产品组成部分的可靠性为qi、不可靠性为pi。这k个组成部分都可靠工作时，产品才能可靠工作。若产品可靠性为q、不可靠性为p，则：
当诸pi都很小时，p≈p1+p2+…+pk即产品的不可靠性近似地为诸组成部分不可靠性之和。因此，为了提高产品可靠性有三大途径：一是减少组成部分的数目（如对机械产品来说，主要是要减少运动部件）；二是提高组成部分的可靠性；三是冗余设计。为了简化设计，要注意以下几点：
①尽可能减少产品组成部分的数量。最理想的是利用数控加工加工中心和精密铸造工艺，把过去要用很多零组件装配成的复杂部件，通过整体加工或制造成为一个部件。
②尽可能实现零、组、部件的标准化、系列化和通用化，控制非标零、组、部件的百分比。尽可能减少标准件的规格、品种数。争取用较少的零、组、部件实现多种功能。
③尽可能采用经过考验的可靠性有保证的零、组、部件以及测试工具和设备。
④尽可能多地采用模块化设计。
2）尽早发现和确定可靠性关键项目。产品的可靠性薄弱环节就是可靠性工程要抓的关键工作项目，即
①进行产品的FMEA，分析产品的可靠性及安全性方面的薄弱环节。
②进行必要的摸底试验，发现产品的薄弱环节及其失效机理。
③建立可靠性质量数据信息系统，收集、交换国内外有关产品可靠性质量数据，对产品的研制、使用过程中的工作数据，进行分析研究。提供产品及其组成部分的工作信息。
3）留有余量。选用元器件、零组部件时，对其工作能力要留有余地，也即保留适当的安全系数。安全系数较大的，可靠性也较高，包括：
①产品的构件要根据对它的可靠性要求定出适当的安全系数，根据应力—强度可靠性模型进行设计。
②一般情况下，零组部件、元器件在工作中所受的应力应比额定应力低，即所谓降负荷使用。具体降额幅度可参见文献[20]。
③产品的使用寿命到产品的5%或10%（有时为1%）耗损寿命为止。
④尽可能减少零组部件、元器件受交变应力及峰值应力的作用次数。
⑤通过冗余技术，将若干可靠性不太高的零组部件造成一个可靠的部件。冗余本身为部件的可靠性提供了安全系数。
4）降低故障率。产品设计要争取消除故障或把故障降低到最小程度，包括：
①通过调研和分析，在满足顾客需要的前提下，提出尽可能少的配套生产厂家、品种、规格的材料、元器件、零组部件、整机（如电动机、鼓风机等）的优选目录。
②对电气元器件进行筛选，淘汰可能出现早期故障的元器件。
③定出对机械产品的适当磨合方案，让用户在经过正确磨合后，再正式投入使用。
④产品的电子元器件应经过适当的磨合后，才交付使用。
5）环境防护设计。如能把环境条件控制在较适当的范围内，机电零组部件的可靠性会有较大的提高。
①温度防护设计。多数电子元器件的失效率随工作温度的增高而迅速下降。对于尺寸小、密集度高的电子产品，温度控制尤为必要。但温度过低会引起诸如触点粘接、接缝开裂、绝缘脆裂、润滑剂过于粘稠等故障。温度防护设计要点：提高效率、降低发热器件的功耗；选用耐热材料和零部件；合理分配安装热源和热敏感元件，尽可能使元器件与热源隔离或远离，一般把热敏感元件配置在进风口处，把发热量大的元件配置在出风口处；充分利用金属机箱或底盘散热；对发热量较小的功率器件，安装简单的铝型材散热器（其表面应粗糙并涂黑），接触处除增大接触面积、压力和表面粗糙度外，还可充填导热硅脂；对发热量大的零组部件，需要时可采用强迫风冷、液冷、热管散热等措施；对发热量很大的大型机电产品，可应用空调，并应用空气分配器调节局部温度（进入的空气应予以过滤）；对与受阳光直晒的产品应加遮阳罩；对于低温时性能或可靠性会下降的元器件可加保温装置；尽量不用液体润滑剂，选用如硅二元脂制成的润滑剂；采用耐低温的材料和部件；采用硅橡胶一类耐低温的密封和填充化合物；采用防冻液和适当的耐低温液压油。
②三防设计（防潮湿、盐雾和霉菌）。潮气、盐雾和霉菌能腐蚀和破坏材料，使材料性能蜕化，降低产品的机械强度，降低电气性能，甚至导致失效。三防设计的要点为：避免直接曝露的电子元件组合，应尽可能采用整体全密封措施，有可能时定期充氮；最好将产品的环境温度控制在27℃以下；暴露在外的接插件应采用密封型，并灌注硅橡胶使其密封；紧固件尽量采用不锈钢制品；金属材料应尽可能采用不锈钢、铝合金或代以工程塑料；非金属材料（包括密封材料）应选用耐蚀、不产生有害气体、不吸湿、不长霉的材料（如有机硅橡胶）；涂料（尤其是线绕元件浸漆用涂料）要添加杀菌剂；印制电路板焊接、调试后，应涂三防漆（如聚氨酯清漆），在涂漆前要进行清洗和烘干，以免残留污物和潮气；必要时在产品内部可放置干燥剂和防霉片剂；光学设备要特别重视防霉、防潮措施，可镀增透膜和防雾膜；为防锈，金属件可进行电镀、氧化镀及热处理。
③防冲击与振动设计。设计要点：冲击与振动可能降低产品结构的机械强度，甚至损坏结构。特别是发生共振时，更易导致故障。因此，在设计结构、安装及包装时要采取以下措施：产品的固有频率应避开外界环境的激振频率；选用的元器件、结构件均能承受规定的环境的冲击振动；电线电缆的走线应用固定装置（如卡环）定位；印制电路板安装要可靠，接插件要有适当的插拔力，在导轨上面再加压条，确保不发生位移，接触可靠；按标准尽量减短元器件引线，并采用贴底卧式安装；质量大于15g的元件除一般引线固定外，应另有机械方法或用硅橡胶固定不能悬空，二级管、晶体管应有塑料衬垫；尽可能采用灌封的模块化整体功能部件；接插件引线端头采用硅橡胶固化。
6）系统的可靠性设计
①电路。除了上述一般准则之外，电路可靠性设计还需注意以下要点：对于兼有硬件、软件的产品，应尽可能发挥软件的功能以代替一部分硬件功能，从而减少元器件、零组部件，有利于提高可靠性；对产品的可靠性分配应结合实现功能所需的资源一起权衡；尽可能用集成电路代替分立的元器件，用大规模集成电路代替中小规模集成电路；尽可能用数字电路代替模拟电路；在电路中应考虑瞬态电压、电流保护，如采用滤波网路，稳压二极管保护电路；按田口方法进行电路的容差设计，使电路参数对元器件参数漂移不敏感；重视减少电路接点和接点焊接工艺的可靠性。电磁兼容是电路设计的重要问题，其要点如下：电子组合尽可能采用金属外壳屏蔽；接插件是可能造成泄漏的部分，其外壳应有导电防护层；射频信号、视频信号和中频信号应采用同轴电缆；音频信号传输线的屏蔽层只允许在信号源端接地，不能把屏蔽层作信号回线；高灵敏电路应置于单独的屏蔽盒内；用滤波器抑制干扰源的电流的高频分量；电源线和信号线应分开，输出线和输入线应分开；敏感电缆的布线应远离电源、变压器和其他大功率装置；连接信号的电缆和连接器必须保证阻抗匹配；多层印制电路板层间应滤波、去耦；在数字电路接口线上增加旁路电容以抑制尖脉冲干扰；接地时，应注意将交流和直流分开，大电流与小电流分开，数字电路与模拟电路分开；尽可能控制视频信号的输出功率，以免增加其他电子设备的电磁兼容设计困难。
②电气系统。电气系统可靠性设计的要点如下：三相电应有防止一相断路或缺少一相的防护，以免烧毁电动机或其他大功率设备；外露的电连接器与电缆的连接部位应加以密封；当设备的输入和输出板上使用多个相近的连接器时，应采取防插错措施；外部电缆应力求轻便，尽量避免中间用接头连接；蓄电池盒及其安装部位应有防止电解液漏液腐蚀措施；电源的大功率管要单独安装，与散热板之间的机械配合应紧密；大电流、高电压或小信号的输出要用屏蔽线；地线、电源线要尽量短、粗；质量大的部件应尽量靠近支架，并尽可能安装在较低的位置；开关、按键应符合人机工程的要求，以免产生误操作。
③液压系统。液压系统设计要点：液压系统应尽量采用泵、阀、油箱集成化设计，以减少管路数；应尽量采用变量式液压系统，以提高效率、减少发热；油箱内宜设有油温控制装置；貯液量应便于检查，有需要时，应能自动显示；要有防止油液污染措施；管接头和孔口应有封堵措施，以免杂质进入油路；除泵吸口处装有滤油器外，在精密元件的入口要装设在线滤油器；在油箱内安装适当的隔板，以及使回流处接近液面，以利于消除气泡。
7）耐用性设计。根据使用寿命的要求，进行耐用性设计的要点为：
①定期加注润滑剂，诚然，采用无需润滑的结构（如自润滑轴承等）更为可靠。
②选用耐磨损的零件，如圆锥滚子轴承那样可以自动调整磨损的零件。
③润滑剂应满足环境温度和工作温度的要求，且不易老化。
④动力线的绝缘材料应不会开裂及老化，并具有一定的抗拉能力。
⑤点接触器的触点（如电动机的电刷、继电器的触点等）易于损坏，应选用可靠性高的材料制作。
⑥尽量减少零组部件因在贮存中蜕化变质而出故障的概率（如进行气密封装）。
8）维修性的简化。维修性的设计准则是：尽可能减少（最好是不要）维修工作量及维修费用，提高产品的可用性。简化维修的设计要点是：
①降低维修频率及维修的复杂性。
②减少大、中、小修及预防性维修的次数及所需时间。长期以来，我们的设备维修盲目追求完好率，造成很大浪费。实际上，对于通用设备只用于生产少数种类的零件，其本身就是浪费。再为了追求完好率去进行大、中修更没必要。根据作者的经验，这时只需进行二级保养加所需项目的维修便已足够。(www.xing528.com)
③降低对维修人员的技术水平、熟练程度及人员数量要求。
④减少维修所需的测试仪器、设备及工具的品种、规格及数量，并尽可能使用通用标准件，减少非标准件的百分率。
⑤尽可能减少维修的后勤供应，如减少备件的品种、规格及数量。
⑥重点注意常用维修项目的简化设计。例如，选用在产品生命周期内，只需要最低限度维护及更换的轴承和密封，选用可快速装拆的紧固件，选用不用装拆就能调整的零部组件等。
⑦尽可能采用单元化设计，即将若干零组部件或功能元件中成一个可拆装的单元。模块设计就是一种单元化设计。
⑧做好维修仪器、设备、工具、材料的通用化、标准化、系列化工作。
⑨需要更换的同种零部件应有良好的互换性。
9）提高故障的可探测度
①在设计过程中，不断完善FMEA工作，例如做出故障树图，提供故障的逻辑判断系列表。根据此表针对出现的工作模式，通过一系列检测就能进行故障定位。
②在产品中，根据故障的逻辑判断系列表的需要集中或分片集中设计好检测点。检测点和检测参数的选定原则是：让常发故障检测定位的时间尽可能短。
③检测点尽可能设计成“不需要解体某些部分就能进行检测”。检测点应有明显的标志。对重要的参数最好能采用自动监控，当参数接近危险区边缘时能自动报警。
④检测设备要尽可能体积小、质量轻、操作方便、维修简单。检测设备的可靠性不应低于产品的可靠性，监控设备的可靠性应高于产品的可靠性，否则会出现虚假的报警，增加不必要的麻烦。
⑤注意检测点与检测设备的匹配性。
10）可达性设计。对一个出故障的零组部件与元器件进行修理更新，或者对其需要维护的部分进行维护的容易程度，称为可达性。可达性设计的要点有：
①凡需要检查、维护、装拆、更新的部位及零组部件，都应具有良好的可达性。
②需要检测及维修的部位附近，要有足够的检测空间及维修空间。
③如果必须用目视进行维修，则维修通道口必须有适于目视的空隙。
④争取不拆下设备的构件、部件就能进行故障检测及定位。
11）维修安全性设计。维修安全性设计要点如下：
①设计要保证操作安全及维修安全。
②对可能严重危及安全的设备部位必须有安全防护措施。例如，对运动的机械构件如果有可能伤人，则必须加保护罩、盖。
③在可能出现不安全的部位，应加明显的警告标志（包括灯光、音响、色彩、文字等的警告标志）。
④设备的电气、电子系统，必须有防止工作人员被电击的设计。例如，电气、电子设备的机壳及暴露的部分均需接地；高压电路与电容器在断电后2s内，电压不能降到30V以下的，应设有放电装置等。
⑤如果设备的电磁辐射超过允许量，则必须提供电磁辐射的防护措施。
⑥进行防火设计。可燃物质必须与高温源、火源隔离，一般不要让设备在工作时散发可燃性气体或液体，在设备可能着火的部位选用不燃或阻燃材料，如采用耐火电缆、阻燃电缆。
⑦进行防爆、防毒设计。例如，对高压设备，应配置在必要时看自动释放能量的自动阀门。
12）提高维修效率的设计。维修性是广义可靠性（即可信性）的重要组成部分。提高维修效率的设计要点如下：
①对常发、多发故障的维修项目进行时间研究，制订出标准维修程序及所需的工作时间，使维修人员在经过培训后能按标准程序操作。
②尽量采用可快速拆装的零组部件。
③进行恰当的结构设计，使维修某一部分的某一零组部件时，不需拆卸其他零组部件。
④产品应设计的易于维护。例如，易于清洗、擦拭，易于添加燃料、补充润滑剂等。
（4）可靠性设计经验 除上述可靠性技术和可靠性设计准则外，还有以下经验可以借鉴：
1）选择设计方案时，应尽量不采用尚未成熟的新系统和零组部件，尽可能采用已有经验并已标准化的零部件和成熟技术。
2）设置功能监测和诊断装置。
3）考核零组部件的互换性。
4）失效安全设计。系统某一部分即使发生故障，但使其限制在预先规定的一定范围内，采用失效易损件（如压力锅的易熔限压阀），从而不致影响整个系统的功能。
5）安全寿命设计。保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。例如，对一些重要的安全零件（如汽车制动、转向机构等），要使其在极限条件下，也不发生变形、损坏。
6）加强连接部分的设计分析。例如，选择合理的连接、止推方式，考核防振、防冲击，对连接条件的确认。
7）可靠性确认试验。在没有现成数据和可用的经验时，这是唯一的手段，尤其是对机械零部件的可靠性预测精度还很低时，主要靠通过使用来确认。
为了使设计时能充分预测和预防故障，把更多的防失效经验设计到产品在去，必须帮助设计人员掌握与故障有关的信息和设计依据。为此，可采取以下措施：
1）编制可靠性检查表。从可靠性的观点和经验出发，列出设计中应考核的重点，设计时逐项检查，考虑预防的对策。
2）推行FMEA、FTA方法。它们是可靠性分析中的重要手段，应被看做与设计图样一样重要。
3）编制故障事例集。将过去技术上的失败和改进的事例编成手册，供设计人员随时参考，通常用简图表示；将故障和改进加以对比；对故障原因、情况附有简单说明。
4）建立和利用可靠性数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验、试验和实际应用的数据，形成数据库和检索系统，使设计人员能充分利用别人实践过的经验，如电子产品已形成世界性的可靠性信息网。
5）不断充实和完善设计、试验规范，从使用实际得来的故障教训要反馈到设计部门，体现在设计、试验方法规范的改进中，并将改进效果作为设计规范、试验标准的改进依据，使其成为设计技术的一部分。随着可靠性工作的开展，必须加强设计、试验规范的研究，不断改进使用方法和标准。如日本小松制作所十年中可靠性试验标准增加了三倍，丰田公司的可靠性使用标准有1500项之多。
6）建立可靠性工作部门。在美国，较复杂产品的生产企业，普遍建立可靠性工作部门，由具有丰富的可靠性工作经验和掌握可靠性技术的专家归口管理可靠性工作。在产品开发项目中配备专业的可靠性工程师。
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