車載產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)中“六性”分析

馮 珂，黃 卓

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009;2 北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，山西 太原 030006)

0 前言

產(chǎn)品“六性”在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段必須要考慮的要求，是產(chǎn)品開發(fā)中除功能特性外額外要滿足的質(zhì)量特性，并伴隨著產(chǎn)品的全壽命周期。其中，可靠性是產(chǎn)品的固有特性，維修性、保障性、測(cè)試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性等都是通用質(zhì)量特性[1]。產(chǎn)品“六性”是否滿足使用要求，也將直接影響到產(chǎn)品效能的發(fā)揮[2]，如今，雖然“六性”技術(shù)隨著各方重視程度的不斷提高而穩(wěn)步提升，但是仍存在諸多問題，如“六性”之間的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及“六性”協(xié)同工作等。

因產(chǎn)品“六性”覆蓋范圍廣，周期跨度大，不同研發(fā)人員側(cè)重面不盡相同，使得“六性”問題較為繁瑣。因此，為研究產(chǎn)品研發(fā)與“六性”之間的關(guān)系，本文將從車載產(chǎn)品集成的角度，對(duì)車載產(chǎn)品設(shè)計(jì)中“六性”問題逐一進(jìn)行分析。

1 可靠性

1.1 可靠性定義與分析

可靠性指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[3]。其中，規(guī)定條件指產(chǎn)品在不同溫度和振動(dòng)的環(huán)境條件和使用條件；規(guī)定時(shí)間指產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間；規(guī)定功能指產(chǎn)品的滿足的設(shè)計(jì)指標(biāo)。產(chǎn)品的可靠性高，維修就少，安全性高，本文著重討論的為產(chǎn)品集成的基本可靠性。

1.2 可靠性設(shè)計(jì)措施

車載產(chǎn)品的可靠性貫穿在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和維修全過程中。產(chǎn)品基本可靠性由設(shè)備或各個(gè)功能模塊的可靠性決定，并受各模塊間的“短板效應(yīng)”制約。因此，在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段應(yīng)該通過各種手段提升產(chǎn)品的可靠性，在提高可靠性設(shè)計(jì)中主要措施有：

1)選用技術(shù)成熟、集成度高、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度好、模塊數(shù)量少的部件，電子元器件應(yīng)選擇經(jīng)過應(yīng)力篩選的元器件；

2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量采用成熟的技術(shù)和工藝，提高最低可靠度零件的可靠度，同時(shí)提高系統(tǒng)的抗振防沖，進(jìn)行防噪聲和提高“三防”(防潮、防鹽霧、防霉菌)等一系列設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3)結(jié)構(gòu)件選用滿足使用要求的材料，并對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)件薄弱位置進(jìn)行力學(xué)仿真驗(yàn)證，確定合適的加工和工藝方法。

4)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱仿真分析，確保其散熱合理性，并設(shè)計(jì)保護(hù)裝置，設(shè)置過載保護(hù)和緊急停止裝置，根據(jù)使用環(huán)境不同設(shè)計(jì)環(huán)境防護(hù)。

2 維修性

2.1 維修性定義和分析

維修性指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按照規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力[4]。維修性的思想應(yīng)以故障時(shí)維修改為以預(yù)防為主；并在設(shè)備故障時(shí)能夠迅速定位和排除問題。維修性預(yù)計(jì)模型如圖1所示。

MTTR是平均修復(fù)時(shí)間，也就是排除故障所需實(shí)際修復(fù)時(shí)間的平均值，該值等于在一定時(shí)間內(nèi)修復(fù)時(shí)間的總和與修復(fù)次數(shù)之比[5]，如式1所示：

(1)

根據(jù)各模塊的失效率以及各模塊維修性分配時(shí)間，可計(jì)算該設(shè)備的平均修復(fù)時(shí)間MTTR。

2.2 維修性設(shè)計(jì)措施

車載產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)主要是通過更換各功能模塊來進(jìn)行維修，各功能模塊和設(shè)備的安裝、拆卸特性便捷。在工程研制中，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的維修性設(shè)計(jì)：

1)模塊化設(shè)計(jì)。采用模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要部件維修時(shí)易于拆裝，減少維修時(shí)間。

2)可檢測(cè)性設(shè)計(jì)。具有上電自檢功能，具有故障報(bào)警、指示，并可通過串口通信進(jìn)行調(diào)試、檢測(cè)。

3)可達(dá)性設(shè)計(jì)。合理安排了各模塊的位置，并留有適當(dāng)?shù)木S修操作空間，在故障定位時(shí)，可以快速拆裝故障部分，不影響設(shè)備內(nèi)其他部件在設(shè)備內(nèi)的狀態(tài)。

4)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。選用的工具、緊固件、元器件等盡可能減少規(guī)格種類，增強(qiáng)互換性。接插件采用標(biāo)準(zhǔn)接口，并用不同芯數(shù)區(qū)別以免誤插。

5)防插錯(cuò)措施及識(shí)別標(biāo)識(shí)。為防止誤動(dòng)作，線纜有標(biāo)號(hào)，接口均有清晰標(biāo)識(shí)，選用具有防插錯(cuò)設(shè)計(jì)的接插件。

6)注重編制維修手冊(cè)。明確日常保養(yǎng)和定期保養(yǎng)工作和方法，通過手冊(cè)實(shí)現(xiàn)常用故障的快速定位，并加強(qiáng)使用培訓(xùn)。

3 保障性

3.1 保障性定義和分析

保障性是產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在應(yīng)急狀態(tài)下產(chǎn)品能夠滿足易于保障，通過保障資源對(duì)其薄弱環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，快速恢復(fù)產(chǎn)品性能的一種能力，確保產(chǎn)品在任一時(shí)刻需要和執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或者可使用狀態(tài)的程度及可用度。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)同時(shí)必須考慮產(chǎn)品保障性，并把保障性工作納入產(chǎn)品配套文件之中，確保維修保障資源能夠滿足系統(tǒng)要求。

3.2 保障性設(shè)計(jì)措施

車載產(chǎn)品保障性的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)提高綜合保障水平，達(dá)到保障人員以少為宜，保障設(shè)備和工具以通用為宜，技術(shù)資料以完整、清晰、易懂為宜，備件以充分合適為宜。除此之外，在車載產(chǎn)品集成階段還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮產(chǎn)品交付以后的保障方便性，通過系統(tǒng)統(tǒng)一配置的通用保障設(shè)備能完成對(duì)產(chǎn)品的拆裝、檢測(cè)和維修。

2)在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先選用尺寸小、重量輕、生命周期長(zhǎng)的模塊和零部件，便于后續(xù)保障。

3)附件工具優(yōu)先選用通用工具，減少專用工具使用，配有合適的備件，并列好相應(yīng)清單，操作和維修人員經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)后就可以熟練操作和維修產(chǎn)品。

4)設(shè)備進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，有較好的抗振、抗跌性能；防水、防塵、抗腐、抗震、耐壓，抗沖擊性能好，適用于汽車、火車、輪船等運(yùn)輸工具的運(yùn)輸。

4 測(cè)試性

4.1 測(cè)試性定義和分析

測(cè)試性是產(chǎn)品能及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，并對(duì)內(nèi)部故障進(jìn)行隔離。測(cè)試性故障檢測(cè)隔離能力應(yīng)滿足基層維修要求，同時(shí)應(yīng)具有內(nèi)部檢測(cè)功能。

測(cè)試性故障檢測(cè)隔離能力應(yīng)滿足基層維修要求，同時(shí)應(yīng)具有內(nèi)部檢測(cè)功能。測(cè)試性的主要表征參數(shù)主要有故障檢測(cè)率(rFD)、故障隔離率(rFI)、虛警率(rFA)、平均故障檢測(cè)時(shí)間(TFD)和平均故障隔離時(shí)間(TFI)等[6]。

1)故障檢測(cè)率(rFD)指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，用規(guī)定的方法正確檢測(cè)到的故障數(shù)與故障總數(shù)之比，如式2所示：

(2)

式中：ND指用規(guī)定的方法正確檢測(cè)到的實(shí)際故障數(shù)；NT指在規(guī)定工作時(shí)間T內(nèi)實(shí)際發(fā)生的故障總數(shù)。

2)故障隔離率(rFI)指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，用規(guī)定的方法將檢測(cè)到的故障正確隔離到不大于規(guī)定模糊度的故障數(shù)與同一時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的故障數(shù)之比，如式3所示：

(3)

式中：NL指用規(guī)定的方法正確隔離到不大于規(guī)定模糊度的故障數(shù)；ND指用規(guī)定的方法正確檢測(cè)到的實(shí)際故障數(shù)。

3)虛警率(rFA)指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的虛警數(shù)和同一時(shí)間內(nèi)的故障指示總數(shù)之比，如式4所示：

(4)

式中：NFA指虛警次數(shù)；NF指真實(shí)故障指示數(shù)；N指(報(bào)警)總次數(shù)。

4)平均故障檢測(cè)時(shí)間(TFD)指從開始故障檢測(cè)到給出故障指示所經(jīng)歷時(shí)間的平均值，如式5所示：

(5)

式中：tDi指檢測(cè)并指示第i個(gè)故障所需的時(shí)間；ND指被檢測(cè)出的故障數(shù)。

5)平均故障隔離時(shí)間(TFI)指從檢測(cè)出故障到完成故障隔離所經(jīng)歷時(shí)間的平均值，如式6所示：

(6)

式中：tFi指隔離第i個(gè)檢測(cè)出故障所需的時(shí)間；ND指被檢測(cè)出的故障數(shù)。

4.2 測(cè)試性設(shè)計(jì)措施

車載產(chǎn)品故障檢測(cè)隔離能力應(yīng)在產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮，主要測(cè)試性設(shè)計(jì)措施有：

1)產(chǎn)品具有檢測(cè)接口，能夠輸出工作狀態(tài)信息和故障信息，方便檢測(cè)裝置快速的進(jìn)行故障檢測(cè)、診斷，準(zhǔn)確分離出故障源；

2)產(chǎn)品的各功能模塊具有上電自檢功能，操控界面可顯示自檢結(jié)果；

3)產(chǎn)品具有故障報(bào)警功能，發(fā)生故障后，能夠?qū)⒕唧w的故障狀態(tài)信息上報(bào)操控界面可顯示故障狀態(tài)信息；

4)圖紙及工藝應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為測(cè)試性提供相應(yīng)的技術(shù)支持，結(jié)構(gòu)布局考慮了系統(tǒng)測(cè)試的可實(shí)現(xiàn)性和方便性。

5 安全性

5.1 安全性定義和分析

安全性主要是通過辨識(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品對(duì)周圍環(huán)境或人員存在的潛在危險(xiǎn)。通過初步分析產(chǎn)品特性及可能存在的危險(xiǎn)，并落實(shí)到在安全性設(shè)計(jì)中。

5.2 安全性設(shè)計(jì)措施

車載產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)中首先通過初步危險(xiǎn)辨識(shí)，確定系統(tǒng)的危險(xiǎn)故障狀態(tài)作為產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中消除可辨識(shí)的危險(xiǎn)源，措施主要包括：

1)電氣安全性：在電氣設(shè)計(jì)時(shí)采用低壓供電，并有電源反接保護(hù)和靜電防護(hù)措施，芯片和功率模塊采取降額設(shè)計(jì)，設(shè)備設(shè)置急停按鈕，接插件有防插錯(cuò)功能，并帶有鎖緊裝置，通過以上但不限于以上的措施來確保電氣安全。

2)結(jié)構(gòu)安全性：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)避免尖銳棱角，保證零部件足夠的強(qiáng)度和剛度，空間布局合理，標(biāo)識(shí)明顯，并采取相應(yīng)的防護(hù)和報(bào)警裝置。

3)設(shè)備安全性：選用能承受額定電流的阻燃導(dǎo)線，設(shè)備采用防水設(shè)計(jì)，能夠滿足系統(tǒng)高溫高濕環(huán)境下長(zhǎng)期可靠工作。

4)使用維護(hù)安全性：指示燈位置明顯，按鍵、接插件標(biāo)識(shí)明顯，以防止使用時(shí)出現(xiàn)誤操作；隨產(chǎn)品交付的文件中具有操作安全要求，并且確保敘述全面、準(zhǔn)確、清楚，可操作性強(qiáng)。

6 環(huán)境適應(yīng)性

6.1 環(huán)境適應(yīng)性定義和分析

環(huán)境適應(yīng)性是指產(chǎn)品在其壽命期內(nèi)，在可能工作的各種環(huán)境作用下，能實(shí)現(xiàn)正常工作和功能，保證產(chǎn)品質(zhì)量[7]。通過環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證可以及時(shí)產(chǎn)品在使用場(chǎng)景中的薄弱環(huán)節(jié)，并加以糾正。

產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)在器件選擇、板卡加固、熱設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)、整機(jī)密封設(shè)計(jì)和涂覆工藝保證等方面采取措施，滿足工作溫度、貯存溫度、濕熱、振動(dòng)、沖擊、低氣壓、鹽霧、霉菌、淋雨、砂塵等環(huán)境要求。

6.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)措施

為滿足車載產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，主要采用的方法如下：

1)溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)：為滿足設(shè)備的工作溫度和貯存溫度，元器件選用滿足指標(biāo)要求的，PCB板設(shè)計(jì)時(shí)通過熱仿真優(yōu)化布線，通過導(dǎo)熱膠棉將電路板熱量傳導(dǎo)到后殼體，機(jī)箱盡量選用導(dǎo)熱系數(shù)好的材料等措施使設(shè)備滿足溫度適應(yīng)性；

2)低氣壓適應(yīng)性設(shè)計(jì)：為滿足設(shè)備在低氣壓環(huán)境正常工作，器件選用耐低氣壓器件，外殼選用高強(qiáng)度材料，對(duì)于旋轉(zhuǎn)類組件采用高性能潤(rùn)滑脂等措施使設(shè)備在低氣壓狀況下能夠正常工作；

3)淋雨適應(yīng)性設(shè)計(jì)：在設(shè)備連接處設(shè)有密封槽，殼體與面板之間加裝導(dǎo)電橡膠條，航空接插件與殼體間加裝導(dǎo)電橡膠墊，甚至采用一定高密度高性能潤(rùn)滑脂形式進(jìn)行密封；

4)沙塵適應(yīng)性設(shè)計(jì)：在設(shè)備密封的前提下，還應(yīng)對(duì)設(shè)備表面噴涂高強(qiáng)度油漆，接插件等設(shè)計(jì)有保護(hù)蓋；

5)振動(dòng)沖擊適應(yīng)性設(shè)計(jì)：選擇剛度合適的材料和工藝方法，通過仿真驗(yàn)證在滿足產(chǎn)品振動(dòng)沖擊條件下盡量進(jìn)行產(chǎn)品輕薄設(shè)計(jì)，將電路板與后殼連接在一起以增大電路板的剛性，易損元件用硅膠粘接處理，將設(shè)備內(nèi)部線纜困扎在走線架上，車載設(shè)備安裝時(shí)配備減震架或采用緩沖設(shè)計(jì)等方法來提高設(shè)備的抗振動(dòng)沖擊能力。

7 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有“六性”理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐，在車載產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)方案階段開展產(chǎn)品“六性”設(shè)計(jì)，全面策劃 “六性”設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，并根據(jù)設(shè)計(jì)路線開展產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作。并在全過程中對(duì)車載產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)中的“六性”不斷進(jìn)行總結(jié)和積累，通過技術(shù)積累不斷優(yōu)化車載產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案和保障方案。