基于FMA 的汽車可靠性開發(fā)與驗(yàn)證方法

袁建軍，蔣 震，李英濤 Yuan Jianjun，Jiang Zhen，Li Yingtao

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，北京 100176；2.北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京 101499）

1 FMA 可靠性開發(fā)概述

汽車可靠性是指汽車在規(guī)定的使用條件下、規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)完成預(yù)定功能的能力[1]，通常使用故障率進(jìn)行評價(jià)，汽車可靠性越好，則無故障行駛時(shí)間越長。

汽車FMA（Failure Mode Avoidance，失效模式避免）可靠性開發(fā)降低了汽車故障率，已在國內(nèi)外多家車企應(yīng)用，其是FEMA（Failure Mode Effects Analysis，失效模式與影響分析）、FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析）和DFSS（Design For Six Sigma，六西格瑪設(shè)計(jì)）相結(jié)合的產(chǎn)物，避免失效，實(shí)現(xiàn)可靠性增長驗(yàn)證。

整車可靠性開發(fā)消除潛在失效問題主要包含以下3 方面。

1）基礎(chǔ)車型歷史問題收集及整改。汽車產(chǎn)品開發(fā)是更新?lián)Q代的過程，每開發(fā)一款新車，通常會沿用上一代車型70%～80%的零部件。基礎(chǔ)車型售后維修數(shù)據(jù)在用戶使用階段產(chǎn)生，基礎(chǔ)車型的市場表現(xiàn)能夠客觀反映產(chǎn)品在實(shí)際使用條件下的可靠性水平。因此，首先統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)車型市場數(shù)據(jù)，分析并解決高投訴問題和高故障率問題。

2）潛在失效問題評估。新開發(fā)的部件或系統(tǒng)是可靠性驗(yàn)證主體，需進(jìn)行新系統(tǒng)總成（模塊）的功能、場景、環(huán)境、工況分析，邊界分析（零部件、模塊的生存環(huán)境及與其他零部件之間的關(guān)系），控制因素和誤差等參數(shù)分析，以及各系統(tǒng)總成（模塊）間相互作用的交互關(guān)系，相互作用包含連接形式、連接數(shù)量、能量傳遞形式以及傳遞方向等。新技術(shù)、新材料和新零部件是新產(chǎn)品失效的主要潛在因素[2]。

3）制定合理的可靠性目標(biāo)。通過可靠性設(shè)計(jì)、開發(fā)驗(yàn)證、精益制造最終達(dá)成產(chǎn)品可靠性目標(biāo)。

2 FMA 可靠性開發(fā)流程

整車由車身、底盤、動力傳動、電子電控等系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)可分解為各子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)可分解為子總成。進(jìn)行整車可靠性開發(fā)時(shí)，將整車可靠性目標(biāo)分解到各系統(tǒng)部件中，各系統(tǒng)部件具有串并聯(lián)可靠性建模關(guān)系，以代表性的關(guān)鍵零部件或總成失效作為整車壽命的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以各系統(tǒng)部件的可靠度作為整車可靠性指標(biāo)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。整車可靠性試驗(yàn)開發(fā)遵循從虛擬驗(yàn)證到實(shí)物驗(yàn)證，從零部件到系統(tǒng)、從系統(tǒng)到整車的自下而上的試驗(yàn)驗(yàn)證順序。

FMA 可靠性開發(fā)以汽車產(chǎn)品的歷史問題為起點(diǎn)，分析整車所處的生存環(huán)境、各系統(tǒng)的邊界、各系統(tǒng)總成及零部件的交互關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)出適合的試驗(yàn)方案。FMEA、FTA 和DFSS 在可靠性問題分析、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、生產(chǎn)質(zhì)量中被廣泛應(yīng)用，具有普遍適用性。FMA 應(yīng)用這3 個(gè)核心模塊并進(jìn)行簡化，具體開發(fā)流程如圖1 所示。

圖1 FMA 可靠性開發(fā)流程

3 可靠性增長驗(yàn)證與評估

汽車是復(fù)雜可修復(fù)的產(chǎn)品，在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中其故障數(shù)量逐漸累積通常成指數(shù)分布，隨著時(shí)間推移，汽車故障率趨于一個(gè)恒定值。通常采用故障率的倒數(shù)即MTBF[3]（Mean Time Between Failure，平均故障間隔時(shí)間）進(jìn)行計(jì)算。

進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)，累積故障率λc(t)與累積試驗(yàn)時(shí)間t在雙對數(shù)坐標(biāo)軸上呈線性關(guān)系[4]，計(jì)算式[5-6]為

式中：a為試驗(yàn)初始故障率；m為故障率下降速度；t為累積試驗(yàn)時(shí)間；λc(t)為累積故障率。

設(shè)備的可靠性增長試驗(yàn)通常采用累積試驗(yàn)時(shí)間t進(jìn)行計(jì)算，對于汽車通常按照累積試驗(yàn)行駛里程S進(jìn)行計(jì)算。

Duane 模型是表達(dá)可靠性增長的通用模型。通常，計(jì)劃增長曲線將第1 個(gè)試驗(yàn)段的累積試驗(yàn)里程S0作為分界點(diǎn)，分為(0，S0]和(S0，S]兩個(gè)階段，第1 個(gè)階段為可靠性增長的初始水平，第2 個(gè)階段為可靠性持續(xù)增長階段。將第1 個(gè)階段(0，S0]代入式（1）得

式（2）的指數(shù)形式為

則瞬時(shí)故障率λ(S)為

由于故障率與平均故障間隔里程互為倒數(shù)，即MTBFc(S)=1/λc(S)，則累積平均故障間隔里程MTBFc(S)和瞬時(shí)平均故障間隔里程MTBF(S)的計(jì)算式為

通過以下步驟繪制汽車可靠性增長曲線，確定試驗(yàn)總里程S。

1）在雙對數(shù)坐標(biāo)軸上，將經(jīng)過對數(shù)變換的累積試驗(yàn)里程和MTBFc分別作為橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)。

2）將（S0，MTBFc0）作為試驗(yàn)初始點(diǎn)，根據(jù)式（2）、（5）繪制車輛累積平均故障間隔里程MTBFc曲線，將其向上平移－ln (1－m)得到瞬時(shí)平均故障間隔里程MTBF曲線。

3）大多數(shù)車企為控制整車可靠性試驗(yàn)成本，會減少試驗(yàn)樣本量，通常將達(dá)到目標(biāo)MTBF的單側(cè)置信下限所經(jīng)歷的里程確定為可靠性試驗(yàn)的總試驗(yàn)里程[7]。

總試驗(yàn)里程計(jì)算式為

式中：S為累積總試驗(yàn)里程；S0為可靠性增長初始里程，即第1 個(gè)試驗(yàn)段的累積試驗(yàn)里程；MTBF(S)為S里程點(diǎn)對應(yīng)的MTBF值；MTBF0(S)為S0里程點(diǎn)對應(yīng)的MTBF值，即初始可靠性水平；m既是故障率下降速度，又是雙對應(yīng)坐標(biāo)中MTBF曲線增長率。

通過以上步驟得到雙對數(shù)坐標(biāo)可靠性增長曲線，如圖2 所示。

圖2 雙對數(shù)坐標(biāo)可靠性增長線

綜合考慮試驗(yàn)周期及成本，試驗(yàn)前對樣本量、配置車型、試驗(yàn)里程、試驗(yàn)工況、試驗(yàn)周期等統(tǒng)籌安排，原則上各試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)涵蓋主配置車型、主銷車型、最惡劣工況車型，形成試驗(yàn)設(shè)計(jì)立方圖列表。

根據(jù)目標(biāo)用戶用途規(guī)劃各試驗(yàn)道路的工況及比例，包括長途工況、短途工況、城市工況、山路工況等。根據(jù)典型用戶行駛工況的道路比例，設(shè)置試驗(yàn)路況模塊和分配比例，進(jìn)行組合得到試驗(yàn)路線。

試驗(yàn)環(huán)境需充分考慮溫度、濕度、光照、風(fēng)沙、海拔、氣壓、載荷、鹽霧腐蝕、振動沖擊等方面因素。

試驗(yàn)故障統(tǒng)計(jì)原則：人員操作維護(hù)不當(dāng)引發(fā)的故障、不滿足試驗(yàn)要求的零件發(fā)生的故障，超過設(shè)計(jì)壽命周期的故障不計(jì)入可靠性故障；間歇性故障、經(jīng)記錄并維修后再次出現(xiàn)的故障、同一零件失效導(dǎo)致多個(gè)故障模式的故障只計(jì)為一次故障；多臺樣車發(fā)生同一類型的故障，每臺樣車各計(jì)一次故障[8]。

4 應(yīng)用案例

某車企計(jì)劃研發(fā)一款皮卡車型，基于FMA 的可靠性開發(fā)和驗(yàn)證如下。

4.1 預(yù)防措施與提升空間分析

收集已售基礎(chǔ)皮卡車型銷售數(shù)量、故障里程、故障時(shí)間、故障現(xiàn)象、使用場景、發(fā)生頻次、導(dǎo)致故障的原因、處理措施等信息，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生較大負(fù)面影響的典型問題和故障率高的共性問題，制定相應(yīng)改進(jìn)措施和預(yù)防再發(fā)方案。

結(jié)合用戶需求、使用場景、功能用途，為應(yīng)用新材料、新技術(shù)的總成部件繪制功能樹，確定產(chǎn)品使用邊界，分析具有交互關(guān)系零部件的參數(shù)因子和交互矩陣，從設(shè)計(jì)、材料、應(yīng)用、工藝、供應(yīng)商5 個(gè)維度進(jìn)行提升空間分析，預(yù)防失效風(fēng)險(xiǎn)，作為后續(xù)可靠性提升空間與可靠性增長規(guī)劃的輸入。

4.2 可靠性目標(biāo)確定與分解

基于市場需求、基準(zhǔn)車型的可靠性水平、新開發(fā)產(chǎn)品供應(yīng)商水平、現(xiàn)有生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制水平、競品車型的可靠性水平以及期望的可靠性水平，初步建立可實(shí)現(xiàn)的可靠性目標(biāo)。

結(jié)合基礎(chǔ)車型的市場故障數(shù)據(jù)和可靠性預(yù)防措施，將整車級可靠性目標(biāo)分解到相關(guān)總成、子系統(tǒng)與零部件，并對可靠性預(yù)防性措施進(jìn)行成本分析和投資回報(bào)分析，最終確定整車可靠性目標(biāo)能否達(dá)成。

針對開發(fā)的皮卡車型，采用12MIS（12 Months In Service，12 個(gè)月服役期內(nèi)千臺車故障數(shù)）進(jìn)行基礎(chǔ)車型和開發(fā)車型可靠性目標(biāo)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。確認(rèn)可達(dá)成的可靠性目標(biāo)見表1。

表1 整車可靠性目標(biāo)

調(diào)研目標(biāo)用戶得到皮卡年行駛里程為 2.7萬km，則此款開發(fā)的皮卡車型在用戶使用條件下瞬時(shí)平均故障間隔里程為13 989 km（27 000 km÷1 930×1 000），將其近似取值為14 000 km，路譜采集加速系數(shù)為4，則計(jì)算得到可靠性試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)MTBF需大于3 500 km（14 000 km÷4）。

4.3 試驗(yàn)策劃與實(shí)施

設(shè)置初始可靠性水平MTBF0為800 km，由目標(biāo)MTBF為3 500 km，確定第1 階段可靠性增長初始里程（即試驗(yàn)?zāi)ズ侠锍蹋㏒0為4 000 km，預(yù)計(jì)增長率m為0.4，置信度設(shè)置為0.9，通過采集路譜確定加速系數(shù)為4。根據(jù)式（7）及MTBF單邊置信下限公式[9]計(jì)算得到，當(dāng)累積試驗(yàn)里程達(dá)到25.2萬km 時(shí)，MTBF置信區(qū)間單邊下限值和目標(biāo)值重合，即可靠性試驗(yàn)策劃總里程S為25.2 萬km。根據(jù)車輛配置、試驗(yàn)周期等因素，對 EP（Engineering Prototype，工程樣車）1、2 階段中6輛樣車進(jìn)行試驗(yàn)，盡量涵蓋開發(fā)車型中所有的重要系統(tǒng)、新的總成，試驗(yàn)里程等分為6 份，每份42 000 km，具體見表2，總計(jì)25.2 萬km。

表2 試驗(yàn)樣車?yán)锍谭峙?/p>

試驗(yàn)期間每日匯報(bào)試驗(yàn)進(jìn)展、故障問題，并分析故障原因排除故障。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)累積行駛25.2萬km，出現(xiàn)106 條故障，分析統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)與可靠性增長相關(guān)的故障共61 條，將加速系數(shù)4 考慮進(jìn)來，得到逐月MTBF趨勢，用來評估可靠性增長，如圖3 所示。

圖3 逐月MTBF 趨勢

由圖3 中數(shù)據(jù)及式（5）擬合得到MTBFc曲線，其斜率m為0.414，a為0.044，m與計(jì)劃增長率0.4 相近，將MTBFc向上平移－ln(1－m)即得到可靠性增長曲線MTBF。

可靠性試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將各參數(shù)值代入式（6）計(jì)算，得

此款開發(fā)車型試驗(yàn)結(jié)束時(shí)（總行駛里程25.2萬km）MTBF約為6 705 km，6 輛樣車的可靠性水平由初始800 km 提升至6 705 km，相當(dāng)于用戶使用條件下MTBF達(dá)到26 820 km（6 705 km×4），大于表1 中設(shè)定的用戶條件下目標(biāo)MTBF值14 000 km，滿足試驗(yàn)要求。

5 結(jié)束語

可靠性開發(fā)與驗(yàn)證涉及內(nèi)容多，跨學(xué)科、跨部門，且持續(xù)周期長。本文根據(jù)可靠性開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，從功能需求、歷史故障入手，結(jié)合用戶的使用工況和環(huán)境，設(shè)計(jì)整車試驗(yàn)方法，說明基于FMA 的汽車產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證方法的可行性，為同行業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。