楊家印

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州經(jīng)貿(mào)分院，江蘇 徐州 221004）

基于麥弗遜式汽車懸架系統(tǒng)的可靠性研究

楊家印

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州經(jīng)貿(mào)分院，江蘇 徐州 221004）

針對(duì)汽車懸架系統(tǒng)中部件失效的問(wèn)題，對(duì)麥弗遜式汽車懸架系統(tǒng)的可靠性展開(kāi)研究，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出了減小失效概率的辦法，為汽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

麥弗遜；懸架系統(tǒng)；汽車故障；汽車質(zhì)量與可靠性

1 前言

我國(guó)從上世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)可靠性領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)研究。到21世紀(jì)初，通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)，汽車整車質(zhì)量有明顯的提高。但是，我國(guó)在可靠性研究及應(yīng)用方面還處于發(fā)展階段，對(duì)數(shù)據(jù)的積累還比較少，所以沒(méi)有辦法進(jìn)行可靠性的預(yù)測(cè)，而且懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型非常多而且很復(fù)雜。汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代，對(duì)于汽車的質(zhì)量也提出了更高的要求，使得研究可靠性非常的重要。

2 可靠性研究的基本理論

就國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車可靠性研究而言，一般的可靠性分析方法為失效模式及后果分析(FMEA)和故障樹(shù)分析法。同時(shí)，在工程應(yīng)用中常用的可靠性理論分布有這樣三種：指數(shù)分布；正態(tài)分布；威布爾分布W(b,θ,t)和W(b,θ)。

2.1 產(chǎn)品可靠度K(t)

（1）可靠度是指在一定的時(shí)間和條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定功能的概率。用概率論中的公式表示為：K(t)=P(τ ≥ t)，其中(0≤ t≤∞ )；

產(chǎn)品的不可靠度即失效率U(t)，則表示為：U(t)=P(τ＜t)，其中 (0 ≤ t≤∞ )；

它們之間的關(guān)系可表示為：K(t)+U(t)=1。

（2）產(chǎn)品失效的概率密度函數(shù)F(t)。

失效概率密度是產(chǎn)品壽命時(shí)間t的概率密度，用公式表達(dá)為：

其中，為研究的時(shí)間差值；為在時(shí)間差值內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)量，N為產(chǎn)品總量。

（3）失效率P(t)。在某一個(gè)時(shí)刻內(nèi)產(chǎn)品仍然完好，工作到下一段時(shí)間產(chǎn)品就發(fā)生失效的概率。

產(chǎn)品失效概率P(t)和產(chǎn)品可靠度K(t)與產(chǎn)品失效概率密度F(t)之間的關(guān)系如下：

(4)可靠性壽命的特征

壽命方差可以用公式來(lái)表示：

2.2 系統(tǒng)的可靠性

系統(tǒng)包括了零件、設(shè)備和子系統(tǒng)。系統(tǒng)在一定的條件下通過(guò)控制子系統(tǒng)完成指定的任務(wù)，所以子系統(tǒng)和零部件的可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性有很大的影響。系統(tǒng)的可靠性分類并簡(jiǎn)述如下。

（1）串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。在系統(tǒng)中的某一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障的系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)。

（2）并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。并聯(lián)系統(tǒng)是指只要其中一個(gè)子系統(tǒng)能正常運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)就不會(huì)失效的系統(tǒng)。

（3）混聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。混聯(lián)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中既包含有串聯(lián)系統(tǒng)，又包含并聯(lián)系統(tǒng)。

3 麥弗遜式懸架的工作原理

麥弗遜式懸架的原理是通過(guò)擺臂連接螺旋彈簧和減震器，然后隨車輪上下運(yùn)動(dòng)（圖1）。機(jī)構(gòu)上很簡(jiǎn)易，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)汽車車輪使車輪往外傾斜，輪胎與地面的接觸就能達(dá)到最大的接觸面積。因此，麥弗遜式懸架系統(tǒng)提供了更緊湊，質(zhì)量更輕的一種系統(tǒng)，目前在汽車前懸架上使用最為廣泛。

3.1 汽車懸架系統(tǒng)關(guān)鍵部件

汽車的懸架是車架和車輪或者車橋之間的所有鏈接裝置，由減震器，彈性元件，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。每一個(gè)部分對(duì)汽車的性能有重要的影響。

（1）減震器。減震器的主要作用是防止汽車行駛過(guò)程中產(chǎn)生大的震動(dòng)、提高舒適感；通過(guò)控制彈性元件進(jìn)行阻尼運(yùn)動(dòng)。減震器將懸架產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓油產(chǎn)生的熱能，最終達(dá)到減小車輛振動(dòng)的作用。

圖1 麥弗遜式懸架運(yùn)動(dòng)分析模型

（2）彈性元件。本文采用螺旋彈簧作為麥弗遜式懸架。螺旋彈簧是汽車懸架系統(tǒng)常用彈簧類型之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易等優(yōu)點(diǎn)。

（3）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)一般是控制擺臂的桿件，控制車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（4）橫向控制桿。橫向控制桿與減震器共同作用，防止汽車往一邊傾斜。同時(shí)，提高汽車在行駛的過(guò)程中的穩(wěn)定性。

3.2 麥弗遜式懸架系統(tǒng)的可靠性研究方法

為了提高汽車懸架系統(tǒng)可靠性進(jìn)而提升汽車整車的可靠性，使汽車具有更高的安全性，特對(duì)汽車懸架系統(tǒng)的零部件進(jìn)行研究。

所謂的汽車安全性可以看成是汽車發(fā)揮其功能時(shí)，事故發(fā)生率最小的一種能力。本文采用三個(gè)指標(biāo)：發(fā)生故障的嚴(yán)重性、發(fā)生故障的可能性和系統(tǒng)可維修性來(lái)定量描述風(fēng)險(xiǎn)，從而降低懸架系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)故障時(shí)可以檢測(cè)到的，懸架系統(tǒng)是可以維修的，從而提高安全性。

4 汽車懸架系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)收集與處理

4.1 失效模式的類型以及統(tǒng)計(jì)樣本的數(shù)量

本文數(shù)據(jù)采集于各大汽車網(wǎng)站，采集的內(nèi)容為2009年到2013年麥弗遜式懸架系統(tǒng)發(fā)生故障的實(shí)例（圖2）。采集并統(tǒng)計(jì)的麥弗遜式懸架系統(tǒng)發(fā)生故障的數(shù)目發(fā)現(xiàn)，從2009年到2013年的麥弗遜式懸架系統(tǒng)的故障率不斷在增長(zhǎng)。

對(duì)于中小型和中低端SUV的前端懸架一般采用麥弗遜式懸架系統(tǒng)，還有一些合資車企和自主品牌的車企也會(huì)采用麥弗遜式懸架系統(tǒng)。在統(tǒng)計(jì)了發(fā)生故障的數(shù)量和主要故障的因素后，本文采用層次分析法來(lái)分析和求解各種失效模式樣本的數(shù)量。

層次分析法（AHP），是由美國(guó)著名的運(yùn)籌學(xué)家于1977年提出。這種方法是將定量和定性分析相結(jié)合，多用于分析各種復(fù)雜的問(wèn)題。原理是將復(fù)雜的問(wèn)題分解成單一的因素，然后進(jìn)行比較得出結(jié)果。

圖2 故障數(shù)隨年數(shù)分布圖

在分配其權(quán)重時(shí)通過(guò)判斷矩陣對(duì)各個(gè)因素分析，具體方法如下：

（1）求可逆矩陣B的最大特征值λmax。

（2）利用BW=λmaW然后求解出最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量W。

（3）將特征向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)以下計(jì)算步驟：

④最后綜合以上3個(gè)步驟得到：

故障因素的正反矩陣可以根據(jù)故障因素評(píng)分表得到，然后將矩陣帶入上述公式，得到矩陣的特征向量為：

當(dāng)麥弗遜懸架系統(tǒng)發(fā)生失效時(shí)，每個(gè)失效的模式的特征向量之和為1。

4.2 對(duì)樣本進(jìn)行失效數(shù)據(jù)的處理

（1）對(duì)樣本容量大于60的失效數(shù)據(jù)的處理。

通常將其分成10組估計(jì)失效概率。統(tǒng)計(jì)分布在第j組中的失效樣品數(shù)，并算出在第i組以前的總的失效數(shù)，即

（3）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合檢驗(yàn)。在各種概率的數(shù)據(jù)分析中，通常采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合，在檢驗(yàn)分析時(shí)就用t檢驗(yàn)法，將數(shù)據(jù)的分布問(wèn)題轉(zhuǎn)化為直線的擬合。

①假定 q=a+bp+c, 其中c是殘差，并且服從正態(tài)分布 c～N（0，）。

其中殘差E大于等于0，可得：

由于殘差和E大于等于0，經(jīng)過(guò)擬合得到：

從上述公式看出，殘差平方和E越大，擬合優(yōu)化度越小。因?yàn)閍’和b’在計(jì)算時(shí)分別受到一個(gè)線性方程的約束，所以自由度為k-2。

③樣本容量小于50時(shí)的失效數(shù)據(jù)處理方法。

5 汽車懸架系統(tǒng)的可靠度分析和研究

5.1 麥弗遜式懸架系統(tǒng)的可靠性研究

對(duì)于麥弗遜式懸架系統(tǒng)，不考慮各種傳感器和閥門的作用，只考慮減震器、螺旋彈簧、控制臂、輪胎以及橫向穩(wěn)定桿等基本零部件。當(dāng)其中的一個(gè)懸架系統(tǒng)的部件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，其它的零部件可以正常工作。為了更好分析可靠性和設(shè)計(jì)汽車系統(tǒng)，設(shè)計(jì)如下的可靠性框架圖（圖3）。通過(guò)對(duì)可靠性框架圖的分析，本系統(tǒng)為混聯(lián)系統(tǒng)。

圖3 麥弗遜式懸架系統(tǒng)可靠性框圖

5.2 麥弗遜式懸架系統(tǒng)的可靠度研究

圖3為麥弗遜式懸架系統(tǒng)各個(gè)零部件可靠性的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖，設(shè)輪胎、螺旋彈簧、下控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)球鉸鏈、橫向穩(wěn)定桿、減振器的可靠度分別為 RA、RB、RC、RD、RE、RF，麥弗遜式懸架系統(tǒng)的可靠度公式為：R=[2RD(RE+RF-RE·RF)-RD2(RE+RF-RE·RF)2] ·[2(RA+RB-RA·RB)-(RA+RB-RA·RB)2]· RC

把已知的各個(gè)零部件在不同行駛路程中的可靠度的數(shù)值，帶入上述公式中，得到在各個(gè)不同行駛路程中麥弗遜式懸架系統(tǒng)的可靠度，從而得到的麥弗遜式懸架系統(tǒng)可靠度隨汽車行駛的路程的曲線以及框架圖（圖4）。

行駛路程/（104 km） 0.1 0.5 1 2 3 4 5 6可靠度/R(t) 0.9716 0.8817 0.7853 0.6487 0.5594 0.5172 0.4736 0.3727

圖4 隨行駛路程變化的麥弗遜式懸架系統(tǒng)可靠性圖

如圖4所示，當(dāng)麥弗遜式懸架系統(tǒng)在行駛30000km的路程的時(shí)候，懸架系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)可靠度為0.56。根據(jù)可靠度的定義，樣本在有一定的時(shí)間和條件下，完成所要求的功能的概率。汽車懸架系統(tǒng)會(huì)發(fā)生故障的時(shí)間間隔會(huì)在汽車行駛的路程超過(guò)30000km時(shí)縮短，可靠性會(huì)變得比較差，要得到較高懸架系統(tǒng)的可靠性，必須做出以上的分析后，判斷系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的零部件的發(fā)生故障概率的重要程度，從而提高整個(gè)汽車系統(tǒng)的可靠性。

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1671-0711（2017）12（上）-0136-03