越野汽車可靠性工程研究

王 磊 王慧晶 邴 建

(北京汽車集團(tuán)越野車有限公司，北京 101300)

可靠性是裝備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[1]，是裝備通用質(zhì)量特性中最先發(fā)展起來的內(nèi)容，是越野汽車研制過程中影響工作效能的重要因素.越野汽車的可靠性不僅影響越野汽車性能，而且影響國家的經(jīng)濟(jì)和安全.

可靠性工程是為確定和達(dá)到產(chǎn)品的可靠性要求而開展的一系列技術(shù)和管理活動，內(nèi)容涵蓋產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、使用階段等全壽命周期的可靠性工作.為保證越野汽車有效開展可靠性工程工作，確?？煽啃詫?shí)施效果，文中按照越野汽車可靠性研制要求，結(jié)合越野汽車產(chǎn)品特點(diǎn)，將可靠性工作用于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，滿足越野汽車設(shè)備完好性和任務(wù)成功性要求，降低對保障資源的要求，減少壽命周期費(fèi)用.

1 可靠性工程

可靠性工程經(jīng)過60多年的發(fā)展，形成了一套比較完整的故障與缺陷的預(yù)防控制技術(shù)和方法，應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)階段的產(chǎn)品性能和功能設(shè)計(jì)中，同時(shí)采用了并行工程方法，把產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)落實(shí)到設(shè)計(jì)圖紙、制造驗(yàn)收規(guī)范里.

越野汽車產(chǎn)品研制過程中，依據(jù)GJB 450A-2004《裝備可靠性工作通用要求》從可靠性設(shè)計(jì)分析及可靠性試驗(yàn)兩方面開展工作[2]，可靠性工作流程如圖1所示.

圖1 可靠性工作流程

可靠性設(shè)計(jì)分析工作包括可靠性分配、可靠性建模預(yù)計(jì)、設(shè)計(jì)FMECA(Fault Mode, Effects and Criticality Analysis,故障模式、影響及危害性分析)，以及選擇和控制元器件、部件，確定可靠性關(guān)鍵部件等工作.其中，可靠性分配是采用比例組合法[3]將整車可靠性指標(biāo)自上而下分配至各系統(tǒng)，整理獲取相似產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)及各系統(tǒng)的失效率統(tǒng)計(jì)值，明確越野汽車可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)；隨后開展可靠性建模及預(yù)計(jì)工作，利用可靠性計(jì)算分析專業(yè)軟件建立越野汽車可靠性分析模型，估計(jì)產(chǎn)品在研制過程中的可靠性水平是否能夠滿足要求；同時(shí)持續(xù)開展設(shè)計(jì)FMECA工作，對各系統(tǒng)和總成進(jìn)行FMECA分析，識別Ⅰ、Ⅱ類潛在故障模式，重點(diǎn)進(jìn)行控制并采取適當(dāng)控制措施.

可靠性試驗(yàn)包括可靠性研制試驗(yàn)、重要故障分析改進(jìn)及驗(yàn)證、可靠性試驗(yàn)及數(shù)據(jù)評估.樣車生產(chǎn)完成后即開展多批次的可靠性試驗(yàn)，激發(fā)產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中可能發(fā)生的各類故障.同時(shí)通過故障分析及評價(jià)，確定產(chǎn)品重要故障，有針對性的提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)方法，并且在后續(xù)可靠性試驗(yàn)中進(jìn)行措施的有效性驗(yàn)證.越野汽車進(jìn)入可靠性試驗(yàn)后，結(jié)合產(chǎn)品預(yù)期執(zhí)行的任務(wù)及其使用環(huán)境條件制定試驗(yàn)方案，同時(shí)對試驗(yàn)過程中的故障信息進(jìn)行收集、分類及整理，參考可靠性數(shù)據(jù)評估方法[3]，對越野汽車可靠性水平進(jìn)行評價(jià)，找出可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，推薦改進(jìn)建議以提高產(chǎn)品的可靠性.

2 可靠性設(shè)計(jì)分析

可靠性設(shè)計(jì)分析是將越野汽車可靠性指標(biāo)分配至各系統(tǒng)，保證其明確可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)；隨后需開展可靠性建模及預(yù)計(jì)工作，估計(jì)產(chǎn)品在研制過程中的可靠性水平是否能夠滿足要求；同時(shí)持續(xù)開展設(shè)計(jì)FMECA工作，分析確定產(chǎn)品潛在的故障模式，并針對可能產(chǎn)生不可接受影響后果的產(chǎn)品潛在故障采取適當(dāng)控制措施，以保證整車可靠性水平.

2.1 可靠性分配

采用比例組合法(或叫相似產(chǎn)品法)，參考結(jié)構(gòu)和類型的相似產(chǎn)品，將越野汽車可靠性定量要求自上而下分配至各系統(tǒng)、組件、元器件，明確各單元的可靠性定量要求，使整車和元器件的可靠性要求協(xié)調(diào)一致.獲取相似產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)及各系統(tǒng)的失效率統(tǒng)計(jì)值，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員明確可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)和指標(biāo)要求，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，協(xié)調(diào)工作資源開展可靠性設(shè)計(jì)分析工作，確保整車能順利達(dá)到預(yù)定的可靠性目標(biāo).

比例組合法的分配方法見公式(1).

(1)

式中：λin為分配給新產(chǎn)品中第i個(gè)系統(tǒng)的故障率；λsn為新產(chǎn)品的故障率；λio為老產(chǎn)品中，第i個(gè)系統(tǒng)的故障率；λso為老產(chǎn)品的故障率.

按照上述分配方法將相似產(chǎn)品的整車可靠性指標(biāo)和各系統(tǒng)的失效率統(tǒng)計(jì)值，及越野汽車的可靠性指標(biāo)值分配到各組成系統(tǒng)，分配結(jié)果見表1.

表1 越野汽車可靠性分配結(jié)果

計(jì)算得到整車平均故障間隔里程可靠性分配結(jié)果為1 320 km.

2.2 可靠性建模

建立越野汽車可靠性模型，利用相似產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)，估算產(chǎn)品研制過程的可靠性水平.建立可靠性模型應(yīng)從方案論證階段開始，隨著設(shè)計(jì)的細(xì)化和變動，通過反復(fù)迭代，檢驗(yàn)和保證越野汽車在設(shè)計(jì)階段的可靠性水平，同時(shí)，保證了零部件工程師所分得的可靠性指標(biāo)的時(shí)效性.可靠性建模的程序包括明確產(chǎn)品定義、繪制可靠性框圖、建立可靠性數(shù)學(xué)模型等步驟.

按照可靠性建模預(yù)計(jì)分析方法開展越野汽車的可靠性分析工作，將平均故障間隔里程(Mean Distance Between Failure,MDBF)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failure,MTBF).MTBF用于表征任務(wù)可靠性，決定了越野汽車需要建立的框圖模型為任務(wù)可靠性框圖模型.轉(zhuǎn)換公式見公式(2).

(2)

式中：MTBF為平均故障間隔時(shí)間；MDBF為平均故障間隔里程；v為整車平均速度.

MTBF用于表征越野汽車的任務(wù)可靠性，需建立越野汽車可靠性框圖模型，結(jié)合組成產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)來預(yù)計(jì)整車的任務(wù)可靠性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，加以改進(jìn)并優(yōu)化方案，為后續(xù)試驗(yàn)提供依據(jù).

根據(jù)產(chǎn)品層級結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)劃分，繪制越野汽車整車可靠性框圖模型，簡化成串聯(lián)系統(tǒng)，結(jié)合可靠性數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)整車的任務(wù)可靠性.

越野汽車層級結(jié)構(gòu)分為四層，頂層為整車；二層為動力總成、動力附件、底盤、空調(diào)和動力總成冷卻系統(tǒng)、內(nèi)飾、車身結(jié)構(gòu)、車身開閉件、外飾、信息和控制系統(tǒng)、電子電器系統(tǒng)等系統(tǒng)；三層為發(fā)動機(jī)、變速箱等子系統(tǒng)，四層為發(fā)動機(jī)本體、離合器總成等總成.

圖2是為整車可靠性框圖的一級展開模型，一個(gè)方框?qū)?yīng)一個(gè)功能單元.二層底盤系統(tǒng)可靠性框圖模型示例如圖3所示.

圖2 整車可靠性框圖模型

圖3 底盤可靠性框圖模型

制動系統(tǒng)的一級展開任務(wù)可靠性框圖串聯(lián)模型如圖4所示.

圖4 制動系統(tǒng)可靠性框圖模型

越野汽車整車包括的各系統(tǒng)任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)見表2.

表2 越野汽車各系統(tǒng)MTBF結(jié)果

根據(jù)各系統(tǒng)的MTBF預(yù)計(jì)結(jié)果，按照越野汽車整車可靠性框圖模型，計(jì)算出整車MTBF為31.17 h，結(jié)合整車平均速度為54 km/h，則平均故障間隔里程MDBF為1 683 km.

2.3 設(shè)計(jì)FMECA

在越野汽車設(shè)計(jì)研制過程中開展設(shè)計(jì)FMECA分析工作，F(xiàn)MECA由FMEA(Failure Mode and Effect Analysis，故障模式及影響分析)和CA(Criticality Analysis，危害性分析)組成，確定產(chǎn)品的I、II類故障模式(即嚴(yán)酷度等級)，篩選I、II類故障模式中RPN(Risk Priority Number，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù))大于100的故障模式作為故障風(fēng)險(xiǎn)控制項(xiàng).針對各系統(tǒng)I、II類故障和高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，進(jìn)行更改設(shè)計(jì)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)驗(yàn)證和選擇優(yōu)秀的零部件供應(yīng)商等方法，減少實(shí)車驗(yàn)證中的潛在故障和風(fēng)險(xiǎn)，提高實(shí)際產(chǎn)品可靠性水平，相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)控制實(shí)例見表3.

表3 風(fēng)險(xiǎn)控制表

2.4 虛擬CAE驗(yàn)證

在越野汽車開發(fā)中應(yīng)用CAE(Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程)虛擬驗(yàn)證技術(shù).虛擬驗(yàn)證貫穿某輕型越野汽車的論證階段、方案設(shè)計(jì)和工程研制階段，將研制要求指標(biāo)分解，轉(zhuǎn)化為虛擬驗(yàn)證考核指標(biāo)，在論證階段為方案的論證提供方向性的依據(jù)；在方案階段為制定具有可行性的方案提供支撐；在工程研制階段針對樣車(樣件)試驗(yàn)中暴露的故障為工程師明確設(shè)計(jì)優(yōu)化的方向，確定優(yōu)化方案.在虛擬樣機(jī)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核、NVH(Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度)分析、制造可行性(同步工程)等專業(yè)方向進(jìn)行了應(yīng)用，達(dá)到提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的目的.

圖5以備胎支架強(qiáng)度分析為例，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行CAE分析，1.5 G工況下,最大應(yīng)力為69.9 MPa，3 G工況下,最大應(yīng)力為111.8 MPa，均未發(fā)生塑性應(yīng)變，支架靜強(qiáng)度可以滿足要求.

圖5 備胎支架仿真模型

3 可靠性研制試驗(yàn)

可靠性研制試驗(yàn)是通過對受試產(chǎn)品施加應(yīng)力，將產(chǎn)品中存在的材料、元器件、設(shè)計(jì)和工藝缺陷激發(fā)成為故障，進(jìn)行故障分析定位后，采取糾正措施加以排除的過程.也是試驗(yàn)分析改進(jìn)的過程，即TAAF(Test,analysis and fix)過程.

可靠性研制試驗(yàn)從試驗(yàn)?zāi)康暮退幍碾A段以及施加的應(yīng)力水平，可分為可靠性增長摸底試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)或高加速壽命試驗(yàn)，也包括結(jié)合性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)而開展的可靠性研制試驗(yàn).

3.1 可靠性增長試驗(yàn)

可靠性增長試驗(yàn)是有效提高產(chǎn)品可靠性的技術(shù)，將受試裝備處于近似于工作環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)，使其充分暴露故障，進(jìn)而分析故障,改進(jìn)設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，提高產(chǎn)品的固有可靠性.

通過收集、整理越野汽車可靠性試驗(yàn)過程中發(fā)生的故障數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)評估方法對其進(jìn)行處理，確定越野汽車的平均故障間隔里程的點(diǎn)估計(jì)值及單側(cè)區(qū)間估計(jì)值[3].數(shù)據(jù)處理方法如公式(3)及公式(4)所示.

(3)

采用皮爾遜χ2檢驗(yàn)法(chi-aqure test)[3]

(4)

式中：D為平均故障間隔里程區(qū)間估計(jì)值；α為單側(cè)區(qū)間估計(jì)置信度.

利用最小二乘法對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行杜安模型[3]的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，通過計(jì)算得出擬合相關(guān)系數(shù)為0.91(要求大于0.85)，可以確定可靠性試驗(yàn)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果符合杜安模型.

可靠性增長試驗(yàn)結(jié)果顯示，瞬時(shí)MDBF為687.4 km，累積MDBF為462.3 km，符合MDBF指標(biāo)要求.

3.2 可靠性鑒定試驗(yàn)

可靠性鑒定試驗(yàn)行駛試驗(yàn)氣象條件為試驗(yàn)期間內(nèi)的自然條件，試驗(yàn)道路為汽車試驗(yàn)場高速環(huán)道、凹凸不平路、越野路和場外山路[4].試驗(yàn)期間，被試品按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行行駛、檢查、保養(yǎng)、維修和記錄.可靠性試驗(yàn)行駛按規(guī)范進(jìn)行.依據(jù)越野汽車試驗(yàn)報(bào)告，對越野汽車可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，結(jié)果如表4所示，其中，A1、A2為被試品編號.

表4 故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算

由此可知，對越野汽車可靠性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評估和分析，越野汽車試驗(yàn)平均故障間隔里程點(diǎn)估計(jì)值的規(guī)定值為7 536 km，單側(cè)區(qū)間估計(jì)置信度為90%時(shí)，平均故障間隔里程為4 649 km千米，滿足越野汽車可靠性定量指標(biāo)要求.

4 結(jié) 論

文中將可靠性建模、分配、預(yù)計(jì)以及可靠性增長管理系統(tǒng)地應(yīng)用于某輕型越野汽車整車開發(fā)，結(jié)合越野汽車產(chǎn)品特點(diǎn)，同步開展可靠性定性分析、建模及定量計(jì)算工作，預(yù)估產(chǎn)品在設(shè)計(jì)研制過程中的可靠性水平，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)控制及改進(jìn)，有效提升了產(chǎn)品的可靠性水平，落實(shí)“預(yù)防為主”的質(zhì)量管理思想.

今后，在越野汽車研制過程中，應(yīng)采用新的設(shè)計(jì)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)驗(yàn)證和選擇優(yōu)秀的零部件供應(yīng)商等方法，有效降低發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，提高實(shí)際產(chǎn)品可靠性水平.在設(shè)計(jì)中大量采用虛擬驗(yàn)證手段，對關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜強(qiáng)度、安全系數(shù)以及疲勞壽命等模擬計(jì)算分析，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短開發(fā)周期，提高越野汽車的可靠性.