基于可靠度優(yōu)化扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本

韋仲寧，萬(wàn)茂林

(廣州小鵬汽車(chē)科技有限公司汽車(chē)技術(shù)中心，廣東廣州 510640)

0 引言

耐久性試驗(yàn)是轎車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，然而制造樣車(chē)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證會(huì)消耗大量的人力、物力和財(cái)力。設(shè)計(jì)驗(yàn)證與問(wèn)題暴露經(jīng)過(guò)了3個(gè)階段的發(fā)展，第一階段：在90年代早期，各大汽車(chē)公司通過(guò)增加設(shè)計(jì)員與產(chǎn)品工程師之間的面對(duì)面交流，來(lái)增強(qiáng)聯(lián)合解決問(wèn)題的能力。他們?cè)诘谝惠啒榆?chē)階段就找出并更正了40%的問(wèn)題，在工裝樣車(chē)階段解決75%問(wèn)題[1]；第二階段：隨著CAD、CAM與CAE等技術(shù)的飛速發(fā)展，第一輪樣車(chē)階段能夠發(fā)現(xiàn)并更正大約55%的問(wèn)題，在工裝樣車(chē)階段大約為90%；第三階段：運(yùn)用虛擬試驗(yàn)技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段就可以發(fā)現(xiàn)并解決60%的問(wèn)題，在第一次樣車(chē)階段發(fā)現(xiàn)并更正大約85%的問(wèn)題，在工裝樣車(chē)階段解決95%問(wèn)題，如圖1所示。

新車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，各系統(tǒng)或零部件的試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范主要是根據(jù)以往的平臺(tái)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)或其他廠家數(shù)據(jù)編制制定的，在沿用過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致一些零部件過(guò)度設(shè)計(jì)而浪費(fèi)成本，有些安全件的設(shè)計(jì)未達(dá)到要求，從而影響整車(chē)的使用壽命及口碑，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中丟失市場(chǎng)份額。為達(dá)到既定的應(yīng)用功能和要求，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要應(yīng)用可靠度、置信度來(lái)平衡零部件、系統(tǒng)總成、整車(chē)成本、質(zhì)量、開(kāi)發(fā)周期等因素，如圖2所示。

圖1 汽車(chē)3個(gè)階段解決問(wèn)題比例

圖2 制約可靠度因素

本文作者基于整車(chē)可靠度分解，分別從零部件試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)以及整車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)成本分析，評(píng)估降低成本、優(yōu)化試驗(yàn)樣本量應(yīng)該重點(diǎn)把控的環(huán)節(jié)。

1 可靠性理論

1.1 系統(tǒng)可靠度

文中的系統(tǒng)可靠度指的是系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成整車(chē)功能的概率。可以把汽車(chē)整車(chē)拆解成若干個(gè)不同的系統(tǒng)，再把不同系統(tǒng)拆分成不同零件或組件進(jìn)行研究。

1.2 整車(chē)分解

在汽車(chē)可靠度分配過(guò)程中，由于其零件規(guī)模巨大且相互聯(lián)系，必須建立統(tǒng)一的可靠性要求。目前行業(yè)主流方法是置信度統(tǒng)一，專注于可靠度的提升，置信度推薦參考C50或C70。

在保證整車(chē)置信度統(tǒng)一的條件下，汽車(chē)產(chǎn)品的可靠度還遵循兩點(diǎn)分配原則，其可靠性分配流程如圖3所示。

(1)層次清晰：元件/零件>子系統(tǒng)/總成>系統(tǒng)/大系統(tǒng)>整車(chē)；(2)關(guān)注點(diǎn)明確：安全件>法規(guī)件>一般件。如：元件/零件(R99C50)>子系統(tǒng)/總成(R95C50)>系統(tǒng)/大系統(tǒng)(R95C50)>整車(chē)(R90C50)；安全件(R99.8C50)>法規(guī)件(R99.5C50)>一般件(R99C50)。

圖3 可靠性分配流程

在確定各系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)后，基于指標(biāo)要求開(kāi)展系統(tǒng)及零部件開(kāi)發(fā)，從而避免產(chǎn)品過(guò)設(shè)計(jì)或不滿足設(shè)計(jì)[3]。

2 成本分析

2.1 等效解析

虛擬仿真分析是汽車(chē)開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)虛擬CAE仿真分析能夠在設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)很多耐久性問(wèn)題并加以修正，并且能大大縮短試驗(yàn)周期，因而得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

企業(yè)選擇能覆蓋90%用戶行駛情況的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行耐久性整車(chē)加速試驗(yàn)，通過(guò)六分力、加速度、應(yīng)變花等方式獲取載荷譜，并通過(guò)該載荷譜進(jìn)行偽損傷分析。

如某車(chē)企耐久規(guī)范，通過(guò)統(tǒng)計(jì)用戶使用條件，分析得出覆蓋90%用戶的結(jié)果：汽車(chē)使用8年或行駛16×104km里程與試驗(yàn)場(chǎng)耐久工況循環(huán)總數(shù)6 922次等效。扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)1倍壽命的累積偽損傷為0.268，如表1所示。

表1 常規(guī)耐久試驗(yàn)損傷分析

2.2 線性累積損傷

結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷作用下，內(nèi)部產(chǎn)生損傷，需要尋找一個(gè)合適的物理量，能夠描述結(jié)構(gòu)受損的嚴(yán)重程度。

基本假設(shè)：各級(jí)交變應(yīng)力引起的疲勞損傷可以分別計(jì)算，然后再線性疊加[2]。

(1)

結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂失效時(shí)(D=1)，其線性累積損傷值為

(2)

2.3 零部件開(kāi)發(fā)

確定系統(tǒng)可靠度目標(biāo)之后，根據(jù)系統(tǒng)可靠度進(jìn)一步分解至零部件，并且在CAE分析階段(概念設(shè)計(jì))就基于該可靠度要求進(jìn)行零部件疲勞壽命分析。

汽車(chē)零部件的研發(fā)需要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)而嚴(yán)格的過(guò)程，需要大量人員參與，確保每一個(gè)過(guò)程都順利進(jìn)行。如果在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，在零部件試驗(yàn)或系統(tǒng)試驗(yàn)期間未提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，那么在整車(chē)試驗(yàn)過(guò)程若發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患問(wèn)題，量產(chǎn)時(shí)間會(huì)被推遲。某產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

圖5所示為在可靠度R99C50要求下，零件壽命倍數(shù)與試驗(yàn)樣本之間的關(guān)系曲線。即在R99C50要求下，隨著樣本量的增多，樣本的壽命倍數(shù)逐步遞減；樣本量越少，驗(yàn)證的壽命倍數(shù)越多。該曲線斜率證明優(yōu)化試驗(yàn)樣本量，應(yīng)采取3-5個(gè)區(qū)間樣本量進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 壽命倍數(shù)與試驗(yàn)樣本關(guān)系

零部件試驗(yàn)或系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，在驗(yàn)證過(guò)程中樣本量越多,發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題越多，越能保證零件的可靠性[5]。但企業(yè)不可能無(wú)限制地?cái)U(kuò)大試驗(yàn)樣本數(shù)量，樣本數(shù)量越多,試驗(yàn)開(kāi)發(fā)成本也越高，而且開(kāi)發(fā)周期的要求也會(huì)限制試驗(yàn)樣本數(shù)量?；趥螕p傷累積分析，加速耐久試驗(yàn)100 h等效1倍壽命，每小時(shí)的試驗(yàn)費(fèi)用為100元，樣件費(fèi)用2 000元/件，表2是某產(chǎn)品試驗(yàn)成本的計(jì)算方式。

根據(jù)該產(chǎn)品R99C50的要求，繪制出試驗(yàn)樣本量與開(kāi)發(fā)費(fèi)用之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。由曲線斜率看出，試驗(yàn)成本隨樣本量的增加逐步遞增，試驗(yàn)樣本量在5件之內(nèi)費(fèi)用增幅大，分析曲線斜率得出，為控制試驗(yàn)成本，應(yīng)使樣本量小于5件。

表2 產(chǎn)品模糊試驗(yàn)費(fèi)用計(jì)算方法

圖6 該產(chǎn)品在R99C50條件下的樣本量與費(fèi)用關(guān)系

3 扭轉(zhuǎn)梁案例分析

3.1 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)可靠度

整車(chē)統(tǒng)一置信度為C50，整車(chē)可靠度目標(biāo)為R90，某車(chē)型在8年或16×104km的系統(tǒng)可靠性分配中，扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)指標(biāo)為R97C50，扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)進(jìn)行可靠性框圖研究，該系統(tǒng)為混聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性框圖中包含串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)的子系統(tǒng)。首先減震器與螺旋彈簧并聯(lián)，制動(dòng)器總成與輪胎串聯(lián)，彈性系統(tǒng)、扭轉(zhuǎn)梁、輪胎系統(tǒng)串聯(lián)成一個(gè)總系統(tǒng)，最終得到扭轉(zhuǎn)梁懸架系統(tǒng)，可靠性框圖如圖8所示[3]。

圖8 扭轉(zhuǎn)梁懸架系統(tǒng)可靠性框圖

分析可靠性框圖，得出扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)下一級(jí)各零部件及總成的可靠度要求，如表3所示。

3.2 零件及總成試驗(yàn)成本分析

(1 )彈簧耐久試驗(yàn)。加載頻率：1 Hz；試驗(yàn)行程：325～165 mm；試驗(yàn)次數(shù)：75萬(wàn)次；彈簧樣本：4條；評(píng)價(jià)指標(biāo)：疲勞試驗(yàn)后未出現(xiàn)斷裂，負(fù)荷損失不大于5%、剛度損失不大于5%。

(2)彈簧腐蝕疲勞耐久試驗(yàn)。加載頻率：1 Hz；試驗(yàn)行程：325～165 mm；試驗(yàn)次數(shù)：35萬(wàn)次；彈簧樣本：4條；評(píng)價(jià)指標(biāo)：腐蝕鹽溶液，每隔5 min霧狀噴淋1 min；試驗(yàn)后設(shè)計(jì)負(fù)荷損失不大于5%，剛度損失不大于5%。

(3)減震器總成臺(tái)架耐久試驗(yàn)。加載頻率：高頻11.5 Hz、低頻1.5 Hz；試驗(yàn)行程：高頻行程ΔL±15 mm、低頻行程ΔL±40 mm；試驗(yàn)次數(shù)：高頻次數(shù)350萬(wàn)次、低頻100萬(wàn)次；試驗(yàn)樣本：4件；評(píng)價(jià)指標(biāo)：試驗(yàn)后，阻尼力衰減率不大于25%，復(fù)原阻尼力衰減率不大于20%，無(wú)卡滯、異響、滲油或漏油等現(xiàn)象。

(4)扭轉(zhuǎn)梁扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。加載頻率：5 Hz；試驗(yàn)行程：±45 mm扭轉(zhuǎn)疲勞或4.5°扭轉(zhuǎn)疲勞；試驗(yàn)次數(shù)：150萬(wàn)次±45 mm加載或100萬(wàn)次4.5°加載；試驗(yàn)樣本：3件；評(píng)價(jià)指標(biāo)：無(wú)可見(jiàn)裂紋，無(wú)明顯永久變形。

(5)制動(dòng)器總成駐車(chē)制動(dòng)耐久試驗(yàn)。加載頻率：1 Hz；試驗(yàn)行程：卡鉗夾緊和釋放循環(huán)；試驗(yàn)次數(shù)：50萬(wàn)次；試驗(yàn)樣本：3件；評(píng)價(jià)指標(biāo)：滿足夾緊釋放功能，未出現(xiàn)明顯性能衰退。

(6)車(chē)輪徑向疲勞試驗(yàn)。加載頻率：3 Hz；載荷要求：12 500 N；試驗(yàn)次數(shù)：150萬(wàn)次；試驗(yàn)樣本：3件；評(píng)價(jià)指標(biāo)：

車(chē)輪不能繼續(xù)承受載荷或車(chē)輪任何部位出現(xiàn)裂紋。

試驗(yàn)開(kāi)發(fā)費(fèi)用由樣本費(fèi)、試驗(yàn)費(fèi)、樣件郵寄費(fèi)、出差跟蹤費(fèi)等費(fèi)用組成，文中主要對(duì)樣件費(fèi)、試驗(yàn)費(fèi)進(jìn)行模糊估算。但每個(gè)零部件及總成的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)費(fèi)用計(jì)算方式不同，文中統(tǒng)一設(shè)定疲勞耐久試驗(yàn)按小時(shí)計(jì)算，扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)各零部件及總成的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)費(fèi)匯總?cè)绫?所示。

表4 零部件耐久開(kāi)發(fā)試驗(yàn)費(fèi)估算

3.3 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)試驗(yàn)成本分析

扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)試驗(yàn)用十二通道試驗(yàn)臺(tái)架，也有主機(jī)廠無(wú)系統(tǒng)試驗(yàn)，直接用整車(chē)搭載對(duì)扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證?；诘刃螕p傷載荷譜，如圖9所示，應(yīng)用累計(jì)損傷理論計(jì)算出等幅值±60 mm,加載4.6萬(wàn)次即可等效1倍壽命。

圖9 等效偽損傷道路譜信號(hào)

根據(jù)系統(tǒng)R97C50指標(biāo)，威布爾分析系統(tǒng)3個(gè)樣本2.8倍壽命，需要加載12.88萬(wàn)次。系統(tǒng)臺(tái)架根據(jù)以下條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，扭轉(zhuǎn)梁懸架系統(tǒng)試驗(yàn)如圖10所示。加載頻率：1 Hz；試驗(yàn)行程：±60 mm，左右同時(shí)加載(相位差為180°)；試驗(yàn)次數(shù)：循環(huán)次數(shù)12.88萬(wàn)次；試驗(yàn)樣本：3件；評(píng)價(jià)指標(biāo)：焊縫或本體開(kāi)裂≤10 mm，在試驗(yàn)中若發(fā)現(xiàn)橡膠襯套、減震器、彈簧等零部件提前損壞或失效，應(yīng)及時(shí)更換零件。

根據(jù)系統(tǒng)試驗(yàn)每小時(shí)2 000元試驗(yàn)費(fèi)，樣件費(fèi)10 100元，計(jì)算分析系統(tǒng)耐久試驗(yàn)開(kāi)發(fā)費(fèi)用?；赗97C50計(jì)算扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)成本，如表5所示。

圖10 扭轉(zhuǎn)梁懸架系統(tǒng)試驗(yàn)

表5 扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)耐久開(kāi)發(fā)試驗(yàn)費(fèi)估算

當(dāng)系統(tǒng)樣本量小于等于2件時(shí)，零部件及總成開(kāi)發(fā)試驗(yàn)費(fèi)約55萬(wàn)元，大于扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)費(fèi)；當(dāng)系統(tǒng)樣本量大于等于3件時(shí)，零部件及總成開(kāi)發(fā)試驗(yàn)少于系統(tǒng)試驗(yàn)費(fèi)用，如圖11所示。

圖11 零部件試驗(yàn)與系統(tǒng)耐久試驗(yàn)成本比較

3.4 整車(chē)耐久試驗(yàn)成本分析

企業(yè)驗(yàn)證整車(chē)結(jié)構(gòu)耐久，通常采取整車(chē)高強(qiáng)耐久試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，表6是某主機(jī)廠在某試驗(yàn)場(chǎng)的高強(qiáng)耐久試驗(yàn)規(guī)范。

有部分主機(jī)廠為了節(jié)約成本，未進(jìn)行系統(tǒng)專項(xiàng)試驗(yàn)，直接用整車(chē)高強(qiáng)耐久試驗(yàn)去驗(yàn)證各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)耐久。在西部墊江試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)，一輪整車(chē)高強(qiáng)耐久試驗(yàn)費(fèi)用為15萬(wàn)元/輛，生產(chǎn)的試驗(yàn)樣車(chē)費(fèi)用40萬(wàn)元/輛，分析可靠度、研發(fā)費(fèi)用(試驗(yàn)費(fèi)與樣車(chē)費(fèi))與樣本量的關(guān)系，結(jié)果如圖12—圖13所示。

表6 高強(qiáng)耐久試驗(yàn)規(guī)范

圖12 可靠度與整車(chē)樣本量關(guān)系

圖13 試驗(yàn)開(kāi)發(fā)成本與整車(chē)樣本量關(guān)系

4 結(jié)論

本文作者從可靠度角度，模糊評(píng)估驗(yàn)證扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)R97C50指標(biāo)，零部件及總成試驗(yàn)開(kāi)發(fā)成本(約55萬(wàn)元)<扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)成本(樣本量3件，約64萬(wàn)元)<整車(chē)級(jí)驗(yàn)證扭轉(zhuǎn)梁系統(tǒng)試驗(yàn)成本(1 265萬(wàn)元)，整車(chē)級(jí)試驗(yàn)是零件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)成本的20倍左右，不建議用整車(chē)級(jí)試驗(yàn)去驗(yàn)證系統(tǒng)或零部件可靠度。

比較并分析成本數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)為2-3個(gè)樣本量時(shí)，零部件級(jí)試驗(yàn)(約55萬(wàn)元)與系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)成本相差不大(2個(gè)樣本約51萬(wàn)元，3個(gè)樣本約64萬(wàn)元)。在沒(méi)有系統(tǒng)臺(tái)架的條件下，可以通過(guò)提高零部件級(jí)可靠度指標(biāo)，達(dá)成節(jié)約成本的目的。

在概念設(shè)計(jì)階段確立零部件可靠度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，保證整車(chē)可靠度指標(biāo)要求，符合研發(fā)費(fèi)用最優(yōu)化策略。