基于任務(wù)可靠度的底盤可靠性設(shè)計(jì)

于海興、陳玉寶、曹建宏、王駱賓、司紅建

（1.中國(guó)重汽集團(tuán)新能源汽車研究院，濟(jì)南 250000；2.中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南特種車有限公司，濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，自卸車、專用車和特種車等汽車產(chǎn)品方案形式越來越多樣化，上裝對(duì)底盤的接口及功能要求呈現(xiàn)日益明顯的電氣化特點(diǎn)。如底盤取力器的形式已經(jīng)開始從發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、分動(dòng)器等機(jī)械取力，逐漸調(diào)整為高低壓供電驅(qū)動(dòng)的上裝設(shè)備等。

本研究針對(duì)客戶一款配置電動(dòng)缸的新能源自卸車底盤設(shè)計(jì)，該型自卸車通過電動(dòng)缸完成上裝的舉升和回落，進(jìn)而完成上裝物料轉(zhuǎn)運(yùn)。為完成客戶提出的作業(yè)任務(wù)可靠度要求，該新能源自卸車底盤在研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估，并針對(duì)設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化，從而在滿足產(chǎn)品任務(wù)可靠度目標(biāo)的同時(shí)，控制了產(chǎn)品配套的成本。

1 底盤技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)客戶上裝及其配電技術(shù)要求，底盤產(chǎn)品設(shè)計(jì)采取了混合動(dòng)力技術(shù)路線，與上裝高低壓配電需求相適應(yīng)。該底盤具有明顯的新能源產(chǎn)品特征，由儲(chǔ)能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)與行駛系統(tǒng)、電器設(shè)備及高低電纜網(wǎng)組成。

儲(chǔ)能系統(tǒng)由多組動(dòng)力電池組成，發(fā)電系統(tǒng)為柴油發(fā)電機(jī)組，底盤具備純電行駛功能和混合動(dòng)力行駛功能。

底盤配電系統(tǒng)包括高壓配電箱、直流-直流轉(zhuǎn)換器（DCDC）和低壓配電箱等，分別實(shí)現(xiàn)高壓直流配電、高壓直流電轉(zhuǎn)低壓直流電以及高壓直流電轉(zhuǎn)高壓交流電、低壓直流配電功能。配電系統(tǒng)配置上裝高壓用電和低壓用電接口。參與上裝配電任務(wù)的系統(tǒng)主要為儲(chǔ)能系統(tǒng)、配電系統(tǒng)及整車控制器（VCU）。

當(dāng)用戶上裝執(zhí)行自卸任務(wù)時(shí)，底盤配電系統(tǒng)需穩(wěn)定可靠性地供電。具體要求為：在規(guī)定的3 min 任務(wù)時(shí)間內(nèi)，底盤任務(wù)可靠度最低門限值為0.998，目標(biāo)值為0.9998。

2 可靠性設(shè)計(jì)

根據(jù)客戶任務(wù)可靠度要求，單機(jī)設(shè)備選型貫徹了成熟設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)等準(zhǔn)則，對(duì)底盤配電系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)可靠性設(shè)計(jì)。

2.1 任務(wù)可靠性模型

根據(jù)上裝配電任務(wù)需求，建立了任務(wù)可靠性框圖模型一（圖1）。具體工作原理為：電池管理系統(tǒng)控制單元（BMS）負(fù)責(zé)動(dòng)力電池電量管理，動(dòng)力電池為供電電源；高壓箱通過繼電器控制高壓直流配電回路；DCDC 進(jìn)行高壓直流轉(zhuǎn)低壓直流變換；低壓配電盒通過繼電器控制低壓配電回路；VCU 通過CAN 網(wǎng)絡(luò)對(duì)高壓箱、DCDC 和低壓配電盒的繼電器控制，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)BMS 電量請(qǐng)求。該控制策略設(shè)計(jì)中，忽略高低壓線束等成熟部件的影響。

圖1 任務(wù)可靠性框圖模型一

根據(jù)任務(wù)可靠性框圖模型一建立任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型如下。

式中R——底盤任務(wù)可靠度

R'——電池包系統(tǒng)任務(wù)可靠度

R——電池包任務(wù)可靠度

R——高壓箱單機(jī)任務(wù)可靠度

R——DCDC 單機(jī)任務(wù)可靠度

R——低壓配電盒單機(jī)任務(wù)可靠度

R——VCU 單機(jī)任務(wù)可靠度

2.2 任務(wù)可靠性分配

根據(jù)R的門限值和目標(biāo)值可靠度要求，結(jié)合相似產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)比例系數(shù)評(píng)分法進(jìn)行單機(jī)設(shè)備任務(wù)可靠度的初步分配，如表1所示。

2.3 任務(wù)可靠性評(píng)估

在該底盤試制前，為評(píng)估該底盤的任務(wù)可靠度滿足情況，收集了相似底盤產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)。結(jié)合相似底盤工作時(shí)的環(huán)境因子，進(jìn)一步整理了配套新底盤所屬單機(jī)設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)。根據(jù)單機(jī)設(shè)備任務(wù)可靠度評(píng)估數(shù)學(xué)模型，計(jì)算可得各單機(jī)設(shè)備的任務(wù)可靠度。

式中R——可靠度置信下限，代表單機(jī)設(shè)備任務(wù)可靠度

——總試驗(yàn)時(shí)間

——故障數(shù)

t——任務(wù)時(shí)間

——置信水平（取0.8）

根據(jù)式（3）分別計(jì)算R、R、R、R、R和R，再由式（1）和式（2）計(jì)算當(dāng)前的底盤任務(wù)可靠度（表2）。

從表2可以看出，底盤的任務(wù)可靠度評(píng)估計(jì)算結(jié)果為0.999554，滿足門限值0.998 要求，但不能滿足目標(biāo)值0.9998 的任務(wù)可靠度要求。對(duì)比表2所示的單機(jī)可靠度評(píng)估結(jié)果和表1所示的可靠度門限值與目標(biāo)值分配要求，可以發(fā)現(xiàn)DCDC 能滿足其可靠度門限值要求，但與其可靠度目標(biāo)值要求差距較多。

表1 任務(wù)可靠度初步分配

表2 任務(wù)可靠性初步評(píng)估結(jié)果

經(jīng)評(píng)估分析，底盤任務(wù)可靠度評(píng)估結(jié)果偏低的薄弱環(huán)節(jié)在于DCDC。該設(shè)備根據(jù)客戶的要求進(jìn)行了定制開發(fā)。當(dāng)前該設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其技術(shù)狀態(tài)成熟度偏低，故障率偏高。

3 可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)

為達(dá)到客戶所要求的任務(wù)可靠度目標(biāo)要求，擬采取如下措施。

（1）增加1 套DCDC 單機(jī)設(shè)備，通過冗余設(shè)計(jì)提高高壓直流轉(zhuǎn)低壓直流的配電任務(wù)可靠度。

（2）對(duì)DCDC 開展可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，以便有計(jì)劃地激發(fā)故障、分析故障和改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而糾正該底盤的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

3.1 冗余設(shè)計(jì)

DCDC 冗余設(shè)計(jì)原理為：在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加1 套DCDC，2 套DCDC 的高壓輸入均來自高壓箱的不同輔助接口；CAN 通訊協(xié)議采用不同的ID 設(shè)置，從而VCU 可以同時(shí)與這2 套DCDC 實(shí)現(xiàn)交互控制。2 套DCDC 的電壓電源接口在低壓配電盒上進(jìn)行電網(wǎng)并網(wǎng)。該底盤設(shè)計(jì)改進(jìn)方案的任務(wù)可靠性框圖模型如圖2所示。

圖2 任務(wù)可靠性框圖模型二

同理，其任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型如下。

式中R'—2 套DCDC 的任務(wù)可靠度

進(jìn)而計(jì)算可得改進(jìn)設(shè)計(jì)后的底盤任務(wù)可靠度（表3），能夠滿足客戶任務(wù)可靠度目標(biāo)值要求。

表3 設(shè)計(jì)改進(jìn)前后任務(wù)可靠性評(píng)估對(duì)比

3.2 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)

冗余設(shè)計(jì)改進(jìn)措施能直接滿足客戶可靠度要求，但需配置2套DCDC，當(dāng)批量進(jìn)行底盤配套時(shí)，將明顯增加底盤成本。而該型DCDC 是根據(jù)客戶要求進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化開發(fā)，在表2所示的可靠性評(píng)估試驗(yàn)中出現(xiàn)的偶發(fā)故障，包括絕緣報(bào)警、峰值功率不足和過熱報(bào)警。

為達(dá)到底盤配套單套DCDC 即可滿足客戶要求的目標(biāo)，必須提高DCDC 單機(jī)設(shè)備的任務(wù)可靠度?？煽啃栽鲩L(zhǎng)及其加速試驗(yàn)是提高單機(jī)設(shè)備可靠性增長(zhǎng)的必要途徑。

DCDC 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)是通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)剖面，模擬車輛的溫度、濕度、振動(dòng)和電應(yīng)力工作環(huán)境條件，對(duì)DCDC 進(jìn)行絕緣檢查、耐壓檢查、防護(hù)等級(jí)檢查、峰值功率輸出功能檢查、溫升檢查以及CAN 通訊功能測(cè)試等試驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)試驗(yàn)暴露的故障及缺陷，分析設(shè)計(jì)和工藝的薄弱環(huán)節(jié)并不斷進(jìn)行改進(jìn)，直至在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)無故障發(fā)生，才認(rèn)可DCDC 國(guó)產(chǎn)化單機(jī)已達(dá)到可靠性增長(zhǎng)目標(biāo)。

根據(jù)終端用戶對(duì)自卸車的使用環(huán)境，開展溫度、濕度、振動(dòng)及電應(yīng)力的綜合性可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。其可靠性增長(zhǎng)基本試驗(yàn)剖面如圖 3 所示，單個(gè)循環(huán)時(shí)間為480 min，電應(yīng)力有效試驗(yàn)時(shí)間為300 min。采用溫度加速的方式，在低溫段、常溫段、高溫段進(jìn)行加速，采用溫度加速方案后相應(yīng)段試驗(yàn)時(shí)間縮短為原來的一半，單個(gè)循環(huán)時(shí)間為240 min，電應(yīng)力有效試驗(yàn)時(shí)間為150 min（圖4）。

圖3 可靠性增長(zhǎng)基本試驗(yàn)剖面

圖4 可靠性增長(zhǎng)加速試驗(yàn)剖面

擬根據(jù)DCDC 的任務(wù)可靠度需求，基于無模型可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方法進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)?？煽啃栽鲩L(zhǎng)有效試驗(yàn)時(shí)間可由式（3）進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

式中——置信水平（取0.8）

——試驗(yàn)期間允許出現(xiàn)的故障數(shù)（取0）

——可靠度要求

——用戶任務(wù)剖面時(shí)間（3 min）

DCDC 任務(wù)可靠度指標(biāo)的確定基于如下幾個(gè)方面：①DCDC可靠度門限值為0.9996，經(jīng)評(píng)估，實(shí)際已滿足要求；②DCDC 可靠度目標(biāo)值為0.99996，經(jīng)評(píng)估，實(shí)際相差要求較大；③根據(jù)當(dāng)前其他單機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果，如需滿足底盤任務(wù)可靠度目標(biāo)值要求，單機(jī)DCDC 所需的任務(wù)可靠度至少不小于0.99993。

綜上，修正DCDC 的可靠度目標(biāo)值為0.99993。

根據(jù)式（6）可計(jì)算出可靠性增長(zhǎng)有效試驗(yàn)時(shí)間，進(jìn)而可得到試驗(yàn)循環(huán)數(shù)。其中驗(yàn)證階段開展41 個(gè)基本試驗(yàn)剖面循環(huán)，摸底階段在驗(yàn)證階段基礎(chǔ)上開展189 個(gè)加速試驗(yàn)剖面循環(huán)。預(yù)計(jì)驗(yàn)證階段試驗(yàn)周期至少14 天，摸底階段試驗(yàn)周期至少32 天，總試驗(yàn)周期至少46 天。

從底盤的DCDC 產(chǎn)品配套成本和可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)研制成本角度分析，只有當(dāng)?shù)妆P訂單數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，DCDC 單個(gè)配套節(jié)約的成本才能覆蓋可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)成本。因而，建議客戶在該底盤產(chǎn)品供貨初期，采用冗余設(shè)計(jì)方案保障上裝配電任務(wù)可靠度要求。

4 結(jié)束語

本文通過可靠性評(píng)估，驗(yàn)證了某新能源自卸車的底盤設(shè)計(jì)滿足客戶任務(wù)可靠度門限值要求，卻無法滿足目標(biāo)值要求，設(shè)計(jì)中可靠性薄弱環(huán)節(jié)為DCDC 設(shè)備。通過對(duì)DCDC 采取冗余設(shè)計(jì)改進(jìn)措施以及可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)方案，最終提出研發(fā)建議：底盤訂單少量配套時(shí)采取冗余設(shè)計(jì)措施；訂單明顯較多時(shí)再開展DCDC 單機(jī)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，底盤僅需配套單套DCDC，實(shí)現(xiàn)底盤成本控制目的。