汽車開(kāi)發(fā)中的整車可靠性試驗(yàn)探究

摘 要：汽車技術(shù)在不斷進(jìn)步下，消費(fèi)者對(duì)汽車可靠性的要求慢慢提高，整車可靠性試驗(yàn)在產(chǎn)品研發(fā)中的作用愈加突出，可靠性試驗(yàn)既能夠評(píng)估整車在不同工況下的性能表現(xiàn)又可以發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷與系統(tǒng)性問(wèn)題。當(dāng)下整車可靠性試驗(yàn)面臨著試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、試驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜等挑戰(zhàn)，怎樣保證試驗(yàn)精度的同時(shí)提高效率，成為研究的重要方向。車整車可靠性試驗(yàn)的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在復(fù)雜系統(tǒng)的整體評(píng)估、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、試驗(yàn)資源的優(yōu)化配置等方面，亟需利用技術(shù)創(chuàng)新與智能化手段提升試驗(yàn)效能。

關(guān)鍵詞：整車可靠性試驗(yàn) 汽車開(kāi)發(fā) 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)分析 環(huán)境模擬

1 緒論

整車可靠性試驗(yàn)是汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，它在模擬汽車在不同使用環(huán)境下的運(yùn)行狀況下評(píng)估整車在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障和性能退化，揭示潛在的設(shè)計(jì)缺陷或系統(tǒng)性問(wèn)題。智能化、電子化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代汽車的結(jié)構(gòu)和功能變得愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)方法面臨著新的挑戰(zhàn)，怎樣應(yīng)對(duì)新技術(shù)、新材料對(duì)可靠性試驗(yàn)提出的更高要求，在有限的時(shí)間和資源內(nèi)，準(zhǔn)確評(píng)估整車的可靠性，成為汽車研發(fā)中的重要課題。本文探討整車可靠性試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)、面臨的挑戰(zhàn)和其解決方案，為未來(lái)汽車研發(fā)中的可靠性提升提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 整車可靠性試驗(yàn)的基本概念與分類

2.1 可靠性試驗(yàn)的基本原則

可靠性試驗(yàn)的基本原則包括代表性原則、隨機(jī)性原則、充分性原則和漸進(jìn)性原則，代表性原則要求試驗(yàn)樣本應(yīng)盡可能反映產(chǎn)品的實(shí)際使用情況，包括不同環(huán)境條件、工作工況以及可能的極端情況。隨機(jī)性原則強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡量避免人為干擾，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布可以真實(shí)反映整車在實(shí)際使用過(guò)程中的各種可能性，充分性原則要求試驗(yàn)應(yīng)覆蓋產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段來(lái)保證涵蓋可能出現(xiàn)的所有故障模式，漸進(jìn)性原則指試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循逐步加壓的方式，從輕度到極限工況進(jìn)行，逐漸揭示整車在不同負(fù)荷下的性能變化。

2.2 整車可靠性試驗(yàn)的主要分類

按試驗(yàn)環(huán)境分類，整車可靠性試驗(yàn)可分為環(huán)境模擬試驗(yàn)與道路行駛試驗(yàn)，環(huán)境模擬試驗(yàn)包括高低溫、濕熱、鹽霧、振動(dòng)等試驗(yàn)，模擬汽車在各種極端環(huán)境下的運(yùn)行狀況以此評(píng)估車輛在不同氣候、道路及駕駛條件下的可靠性表現(xiàn)。道路行駛試驗(yàn)在實(shí)際道路上進(jìn)行，試驗(yàn)車輛在真實(shí)交通環(huán)境中運(yùn)行，收集實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)。按試驗(yàn)階段分類，整車可靠性試驗(yàn)可分為開(kāi)發(fā)階段試驗(yàn)、預(yù)生產(chǎn)階段試驗(yàn)和量產(chǎn)階段試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)階段試驗(yàn)關(guān)注新車型的設(shè)計(jì)可靠性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否滿足可靠性要求；預(yù)生產(chǎn)階段試驗(yàn)則側(cè)重于對(duì)預(yù)生產(chǎn)樣車的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證來(lái)確保在進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)之前能夠發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題；量產(chǎn)階段試驗(yàn)利用大量車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，檢驗(yàn)量產(chǎn)車型的實(shí)際可靠性表現(xiàn)。每種試驗(yàn)分類方法都有其獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景與價(jià)值，結(jié)合不同階段和需求進(jìn)行合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)是提升整車可靠性的關(guān)鍵[1]。

2.3 常見(jiàn)的可靠性評(píng)估方法

統(tǒng)計(jì)分析法通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，建立數(shù)學(xué)模型來(lái)評(píng)估整車的可靠性，壽命預(yù)測(cè)法依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用統(tǒng)計(jì)模型推算出整車的預(yù)期使用壽命，加速壽命試驗(yàn)法是在較短時(shí)間內(nèi)利用加速試驗(yàn)來(lái)模擬長(zhǎng)期使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障模式，為可靠性評(píng)估提供參考。故障樹(shù)分析法在構(gòu)建故障樹(shù)模型下分析整車在不同工況下各部件的失效原因及其相互關(guān)系，預(yù)測(cè)整車的可靠性。

常見(jiàn)的可靠性評(píng)估方法中，加速壽命試驗(yàn)法（ALF）因其能夠在較短時(shí)間內(nèi)獲得與實(shí)際使用情況相符的可靠性數(shù)據(jù)，成為廣泛應(yīng)用于汽車開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)。加速壽命試驗(yàn)法的數(shù)學(xué)模型通常采用威布爾分布模型（Weibull Distribution Model），其可靠性評(píng)估公式為：

其中表示在時(shí)間內(nèi)的可靠度，是尺度參數(shù)，影響函數(shù)的均值跟廣度，體現(xiàn)系統(tǒng)的平均壽命，是形狀參數(shù)，反映壽命分布的形狀特征。該公式的核心思想是通過(guò)調(diào)整加速試驗(yàn)條件，使得車輛系統(tǒng)在更短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷與正常使用條件下相同的老化過(guò)程，進(jìn)而推算出整車在長(zhǎng)時(shí)間使用下的可靠性表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中研究人員根據(jù)不同的工況設(shè)定合適的應(yīng)力水平，對(duì)整車的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行加速試驗(yàn)，調(diào)整威布爾分布的參數(shù)來(lái)擬合真實(shí)世界中車輛的可靠性曲線[2]。

3 汽車整車可靠性試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案選擇

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是明確評(píng)估整車可靠性的具體要求來(lái)確定試驗(yàn)的內(nèi)容、方法、工況和周期，并確保試驗(yàn)過(guò)程與實(shí)際使用情況高度契合。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段先明確試驗(yàn)的目的，評(píng)估關(guān)鍵可靠性指標(biāo)，整車可靠性試驗(yàn)需要評(píng)估整車在長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生的關(guān)鍵故障模式，如發(fā)動(dòng)機(jī)故障、傳動(dòng)系統(tǒng)磨損、電子設(shè)備失效等。根據(jù)評(píng)估目標(biāo)選擇合適的試驗(yàn)類型，常見(jiàn)的試驗(yàn)類型包括加速壽命試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等，每種試驗(yàn)的設(shè)計(jì)依據(jù)都應(yīng)圍繞產(chǎn)品生命周期和使用條件展開(kāi)[3]。

試驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)須保證每個(gè)步驟的科學(xué)性和可操作性，根據(jù)產(chǎn)品的可靠性要求，試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮不同工況的模擬，不同溫度、濕度、振動(dòng)、負(fù)載等條件下進(jìn)行多工況綜合評(píng)估。試驗(yàn)臺(tái)架的搭建應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目的要求，配備相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器與控制系統(tǒng)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集與分析

在試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集需要涵蓋車輛各個(gè)關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電子控制單元、底盤(pán)系統(tǒng)、車身結(jié)構(gòu)等來(lái)保證可以全面監(jiān)測(cè)整車的性能變化?？煽啃栽囼?yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r(shí)記錄各項(xiàng)指標(biāo)的變化情況，如發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、輪胎磨損、電子系統(tǒng)的工作狀態(tài)、油壓變化等，這些數(shù)據(jù)將在試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合整車的運(yùn)行工況，評(píng)估車輛在不同使用階段可能出現(xiàn)的故障點(diǎn)與性能退化情況。數(shù)據(jù)采集的精度要求非常高，任何數(shù)據(jù)誤差都可能導(dǎo)致對(duì)整車可靠性評(píng)估的不準(zhǔn)確，所以試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行定期校驗(yàn)來(lái)確保各項(xiàng)儀器設(shè)備的正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)分析是對(duì)采集數(shù)據(jù)的深入挖掘過(guò)程，常用的方法包括統(tǒng)計(jì)分析、回歸分析、故障模式分析等，數(shù)據(jù)分析結(jié)果會(huì)提供重要的決策依據(jù)，指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與質(zhì)量改進(jìn)[4]。在進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試過(guò)程中采集到以下圖1發(fā)動(dòng)機(jī)溫度與油壓的相關(guān)數(shù)據(jù)。

可以識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)溫度與油壓之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著時(shí)間的推移，油壓的逐漸下降，表明發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在磨損或油路系統(tǒng)可能發(fā)生故障，提前為后續(xù)維護(hù)與改進(jìn)提供了依據(jù)。

3.3 道路試驗(yàn)?zāi)M與試驗(yàn)工況設(shè)置

道路模擬試驗(yàn)?zāi)M汽車在不同地理環(huán)境、氣候條件下的工作狀態(tài)，試驗(yàn)工況設(shè)置則根據(jù)不同車型的使用特點(diǎn)，模擬出不同的駕駛環(huán)境與操作條件。在實(shí)際操作中試驗(yàn)工況的設(shè)置需要考慮多重因素，對(duì)于不同的車型，設(shè)計(jì)者會(huì)選擇一系列的典型工況來(lái)全面考察整車在長(zhǎng)時(shí)間、不同環(huán)境下的耐久性，根據(jù)汽車的目標(biāo)市場(chǎng)和實(shí)際使用環(huán)境，選擇不同的試驗(yàn)周期與測(cè)試項(xiàng)目，確保試驗(yàn)結(jié)果具有代表性與實(shí)用性[5]。下面表1給出一組基于某款中高端轎車的試驗(yàn)工況設(shè)置數(shù)據(jù)，涵蓋溫度、濕度等環(huán)境因素。

可靠性行駛前后會(huì)對(duì)車輛進(jìn)行包括但不局限于動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性能、操縱穩(wěn)定性以及密封性等試驗(yàn)，用于評(píng)定整車性能的衰減程度來(lái)綜合考量車輛的可靠性能。高速公路模擬試驗(yàn)在模擬高速公路的道路條件與振動(dòng)頻率下檢測(cè)整車在高速行駛中的穩(wěn)定性與車身耐久性。強(qiáng)化道路耐久試驗(yàn)則模擬壞路等復(fù)雜路況，模擬長(zhǎng)時(shí)間駕駛下整車的綜合表現(xiàn)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等各個(gè)關(guān)鍵部件的性能退化情況。

4 汽車整車可靠性試驗(yàn)中的挑戰(zhàn)與問(wèn)題

4.1 復(fù)雜性與系統(tǒng)性問(wèn)題

現(xiàn)代汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步使得整車結(jié)構(gòu)、電子系統(tǒng)、動(dòng)力總成等變得愈加復(fù)雜，汽車既涉及傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)又包含了大量的電子控制單元（ECU）、傳感器、車載通信系統(tǒng)等，每一個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用、系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)以及交叉作用關(guān)系，都增加了整車可靠性試驗(yàn)的難度。在傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)往往針對(duì)單個(gè)部件或系統(tǒng)進(jìn)行，可整車可靠性試驗(yàn)涉及的是一個(gè)多維度、多層次的系統(tǒng)評(píng)估，要求從多個(gè)角度考量各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)整體性能的影響，這種復(fù)雜性使得每個(gè)部件或子系統(tǒng)的性能偏差都可能對(duì)整個(gè)車輛的可靠性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[6]。整車的高復(fù)雜度要求在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮個(gè)別零部件的性能又要對(duì)其與其他系統(tǒng)的相互作用進(jìn)行充分模擬與評(píng)估，增加了試驗(yàn)過(guò)程中的不確定性和難度，其復(fù)雜性如圖2所示。

自動(dòng)駕駛技術(shù)、電動(dòng)化技術(shù)的普及下汽車的復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，試驗(yàn)中既要考慮電池、電動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件的可靠性又要測(cè)試復(fù)雜的控制算法和傳感器系統(tǒng)的精確度，這些因素的相互作用對(duì)整車可靠性的影響尚未完全明確，試驗(yàn)的復(fù)雜性和系統(tǒng)性問(wèn)題將加劇。

4.2 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性

整車可靠性試驗(yàn)的核心依賴于準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差往往有不同來(lái)源，包括車輛本身的傳感器、試驗(yàn)臺(tái)架的監(jiān)測(cè)設(shè)備以及外部環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器。試驗(yàn)過(guò)程中傳感器可能受到環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差，如溫度、濕度或電磁干擾等都可能影響傳感器的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生人為誤差影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[7]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性則涉及數(shù)據(jù)是否能夠真實(shí)反映整車的使用性能和故障模式，在實(shí)際使用中車輛的工作工況復(fù)雜多變，試驗(yàn)場(chǎng)景無(wú)法完全涵蓋所有可能的使用條件，這就要求對(duì)數(shù)據(jù)的后續(xù)分析和驗(yàn)證進(jìn)行深入挖掘和細(xì)致調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

整車可靠性試驗(yàn)在汽車開(kāi)發(fā)中起著至關(guān)重要的作用，是確保車輛長(zhǎng)期穩(wěn)定性、安全性與性能的重要保障，汽車技術(shù)的不斷演進(jìn)，試驗(yàn)所面臨的挑戰(zhàn)也在不斷增加，復(fù)雜系統(tǒng)的交互效應(yīng)、高度集成化的電子系統(tǒng)以及新材料、新工藝的廣泛應(yīng)用，這些因素都要求試驗(yàn)設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新和優(yōu)化?？煽啃栽囼?yàn)既需要精確的環(huán)境模擬和嚴(yán)格的工況設(shè)置又要在數(shù)據(jù)采集與分析方面提高精準(zhǔn)度和有效性來(lái)保障可靠性評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。試驗(yàn)中的復(fù)雜性問(wèn)題、高成本、長(zhǎng)周期等問(wèn)題依然是制約試驗(yàn)效率和效果的瓶頸，需要在試驗(yàn)技術(shù)與方法上進(jìn)行持續(xù)的創(chuàng)新。

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