韋仲寧，萬茂林，占晟

(廣州小鵬汽車科技有限公司汽車技術(shù)中心，廣東廣州 510640)

0 引言

可靠性開發(fā)工程是研究如何評價、分析、提高產(chǎn)品可靠使用壽命的工程技術(shù)，逐步形成了一門基礎(chǔ)性的開發(fā)理論學(xué)科，屬于系統(tǒng)工程的一個分支。

2018—2019年，汽車市場趨于飽和，各品牌車企銷量均出現(xiàn)不同程度的下跌，想要在下跌大環(huán)境中生存，就要求品牌汽車的故障率越低越好。為追求汽車的低故障率，人們會在設(shè)計階段、制造階段、驗證階段盡全力排除可能出現(xiàn)的故障，在外部環(huán)境允許的情況下，對產(chǎn)品的性能進行全壽命加速等效驗證，并提出相應(yīng)的改善措施，力爭減少汽車系統(tǒng)(零件總成)的故障，延長工作時間。

純電動汽車作為新能源勢力中的先驅(qū)者，以電池模組作為其驅(qū)動力的來源，要保證它擁有比擬傳統(tǒng)燃油車的可靠性，才能讓它在市場競爭中脫穎而出。純電動車行駛的條件：各組成零件之間在結(jié)構(gòu)上緊密聯(lián)系，每個零件都要完成各自的規(guī)定功能，并實現(xiàn)系統(tǒng)定義的功能。系統(tǒng)的可靠度與組成系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)零件的可靠度緊密相關(guān)，所以在系統(tǒng)的可靠度確定后，就需要把系統(tǒng)規(guī)定的可靠度指標合理地分配到關(guān)聯(lián)的零件上，這需要調(diào)試過程也就是可靠度分配。

汽車若可靠性差，不僅會失去信譽、使用價值、市場，還會造成資源和成本的浪費。本文作者在整車可靠性目標確定后，基于各系統(tǒng)零件數(shù)量、安全件數(shù)量、復(fù)雜程度將整車可靠性指標值分解到系統(tǒng)總成，基于系統(tǒng)總成可靠性目標值再將可靠性指標分解到各零部件總成上，并對其進行適當修正，從而完成可靠性框架搭建。通過合理分配可靠度，提高汽車產(chǎn)品的可靠性，以適應(yīng)新時期的挑戰(zhàn)。

1 理論介紹

1.1 可靠性理論

汽車的可靠性是指汽車產(chǎn)品(系統(tǒng)或總成零件)在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的時間里，完成規(guī)定功能的能力[1]。而可靠性常用可靠度R來衡量，可靠度是指汽車產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下，在規(guī)定的壽命期內(nèi)保持規(guī)定功能的概率。規(guī)定的條件對汽車而言是規(guī)定的作業(yè)環(huán)境，如行駛路況、工作條件、載荷大小、循環(huán)次數(shù)等；規(guī)定的時間是指某一特定時間持續(xù)行駛無故障里程數(shù)，如設(shè)計年限、等效加速時間、失效時間等；規(guī)定的功能是指汽車產(chǎn)品達成國際標準、國家標準、企業(yè)標準、技術(shù)法規(guī)以及使用說明書、合同規(guī)定的功能和性能要求。功能的設(shè)計如圖1所示。

圖1 規(guī)定功能逆向表達示意

在汽車設(shè)計中，工程師通常都是單一汽車產(chǎn)品設(shè)計師，關(guān)注的重點是自己區(qū)域中產(chǎn)品的性能和功能，忽視了整車的周期壽命可靠性設(shè)計。有部分工程師盡管關(guān)注到可靠性要求，但也不會真正去執(zhí)行可靠度指標，從而在前期驗證不充分、資源分配不合理，投入了大量的經(jīng)費之后，還會出現(xiàn)大量的故障，從而延遲產(chǎn)品上市。

1.2 置信度理論

在統(tǒng)計分析理論中，一個樣本的置信度C是對這個樣本所在總體參數(shù)區(qū)間的概率分布。汽車系統(tǒng)或零件的置信度表達的是這個系統(tǒng)或零件的真實使用壽命在試驗檢測達到的程度。置信度展現(xiàn)的是被檢測系統(tǒng)或零件的功能不失效、無故障的可信程度。

置信度水平是指整車、系統(tǒng)、零件在規(guī)定條件、規(guī)定時間完成規(guī)定功能真實性的相信程度。置信水平是指試驗檢測或使用情況結(jié)果分布在所有樣本統(tǒng)計庫中某一特定位置的概率；而置信區(qū)間水平表示要求的整車、系統(tǒng)、零件在規(guī)定條件、規(guī)定時間完成規(guī)定功能，樣本統(tǒng)計值與樣本統(tǒng)計庫之間的差距范圍。置信區(qū)間分布越大，說明統(tǒng)計的試驗檢測或使用的樣本量越多，置信度水平也越高。

1.3 失效率理論

失效率，又稱故障率。它是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下，在規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的時候，產(chǎn)品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比率，用λ(t)表示。用戶使用汽車實現(xiàn)功能，在實現(xiàn)功能的過程中故障率曲線多呈浴盆狀，因此又常將故障率曲線稱為浴盆曲線。如圖2所示故障率曲線可將故障分為3個時期：早期失效期、偶然失效期和耗損失效期。

(1)早期失效期。因為產(chǎn)品中有不合格產(chǎn)品，故障率較高，但隨時間的推移，不合格品被淘汰，故障率逐漸下降。加強產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管理，提高裝配質(zhì)量，是提高早期故障期可靠性的有效措施。

(2)偶然失效期。故障率低且穩(wěn)定，發(fā)生故障是偶然的，何時發(fā)生也無法預(yù)測，因此提高此期間的可靠性也無具體措施。

(3)耗損失效期。產(chǎn)品已接近或達到設(shè)計壽命，隨時間的增長，故障率明顯增加。提高此時期內(nèi)整個系統(tǒng)的可靠性，就必須在進入耗損故障期之前更換零件。

圖2 整車故障率分布區(qū)

我國《汽車產(chǎn)品質(zhì)量檢驗評定辦法》中對故障是按其造成整車致命損傷(人身重大傷亡及汽車嚴重損壞)的可能性(概率)進行簡單分類的。規(guī)定致命損傷概率接近1的稱為致命故障；概率接近0.5的稱為嚴重故障；概率接近0.1的稱為一般故障；概率接近0的稱為輕微故障或安全故障。故障分類的具體規(guī)定詳見表1。

表1 故障分類規(guī)定

1.4 可靠度基本要求

在汽車可靠度分配過程中，由于其零件規(guī)模巨大且相互聯(lián)系，必須建立統(tǒng)一的可靠性要求，單純考慮可靠度而不考慮置信度，會增加分配可靠度的困難，而且容易造成混亂。目前行業(yè)主流方法是整車置信度統(tǒng)一，專注于可靠度的提升，推薦C50或C70。

在保證整車所有系統(tǒng)及零件總成置信度統(tǒng)一的條件下，汽車產(chǎn)品的可靠度還遵循兩點分配原則，其流程如圖3所示。

(1)層次清晰：元件/零件>子系統(tǒng)/總成>系統(tǒng)/大系統(tǒng)>整車。

(2)關(guān)注零件要明確：安全件>法規(guī)件>一般件。

如元件/零件(R99C50)>子系統(tǒng)/總成(R95C50)>系統(tǒng)/大系統(tǒng)(R95C50)>整車(R90C50)；安全件(R99.8C50)>法規(guī)件(R99.5C50)>一般件(R99C50)。

圖3 可靠性分配流程

2 整車可靠性分解

2.1 系統(tǒng)可靠度

汽車是由成千上萬個零件組成的交通運輸工具，也是一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機電產(chǎn)品。把零件按照其作用分別裝配在一起，各自具有一定的功能，相互間有一定的配合關(guān)系。將所有的裝配系統(tǒng)有機地組合起來，就組成了完整的汽車。

一個系統(tǒng)是多個零件、部件、子系統(tǒng)或裝配件構(gòu)成的，完成期望的功能，并具有可接受的性能、功能和可靠性水平的一種特定設(shè)計。

2.2 整車系統(tǒng)劃分

汽車各系統(tǒng)中，選擇關(guān)鍵單元，先分解系統(tǒng)，再組合計算。各企業(yè)根據(jù)整車框架，對整車系統(tǒng)進行適當調(diào)整。為了更好地下達指標要求，建議劃分到責(zé)任人身上，方便后期的可靠度驗證。同時，關(guān)注全新技術(shù)的開發(fā)，滿足客戶需求。系統(tǒng)劃分不宜過多，表2是某企業(yè)的整車系統(tǒng)劃分。

表2 整車系統(tǒng)劃分

2.3 繪制產(chǎn)品的可靠性框圖

為了提高可靠性框圖的規(guī)范性和可讀性，需要遵守以下的一般性約定。

首先，不能將同一個產(chǎn)品的“可靠性框圖”與 “組成 (或原理)方框圖”混為一談?！翱煽啃钥驁D”描述的是系統(tǒng)與其組成零件，以及零件與零件之間的可靠性邏輯關(guān)系，位于同一(可靠性)串聯(lián)支路中的各零件的相對位置沒有任何物理意義，只表明其中的任一零件故障，是該串聯(lián)支路故障，因此前后次序無關(guān)要緊。而“組成 (或原理)方框圖”描述的是系統(tǒng)與其組成零件，以及零件與零件之間的物理關(guān)系，或者說是“功能關(guān)系”，即使位于同一(物理)串聯(lián)支路中，各零件的前后次序也不能隨意變更。

對于大型復(fù)雜整車而言，建模過程應(yīng)從系統(tǒng)級開始，自上而下逐步展開。假設(shè)，某可靠性框圖由3個單元串聯(lián)而成，如圖4(a)所示；由3個單元并聯(lián)而成，如圖4(b)所示。

圖4 可靠性框圖

各串聯(lián)子系統(tǒng)如圖4(a)所示，可靠性最差的零件或裝配件對系統(tǒng)的可靠性影響最大，且系統(tǒng)內(nèi)組件增加，可靠度水平會逐步降低，可靠度計算方法：R1=RA1RB1RC1。

各并聯(lián)子系統(tǒng)如圖4(b)所示，并聯(lián)條件下，系統(tǒng)可靠度隨著組件數(shù)增加，對單一組件的可靠度依賴越來越小，可靠度計算方法：R2=1-(1-RA2)(1-RB2)(1-RC2)。

在建立可靠性模型時，通常假設(shè)產(chǎn)品的所有輸入量均在規(guī)定的范圍之內(nèi)，即不考慮由于輸入錯誤而導(dǎo)致系統(tǒng)故障的情況。

2.4 整車可靠性分配

在完成可靠性框圖的繪制之后，可根據(jù)可靠性框圖展示的邏輯關(guān)系推導(dǎo)出系統(tǒng)可靠性值的計算公式，即系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型。可靠性數(shù)學(xué)模型描述的是各單元的可靠性變量與系統(tǒng)可靠性值之間的定量關(guān)系，利用已知的單元可靠性值(如可靠度、失效率或者 MTBF等)就能計算出系統(tǒng)的可靠性值。本文作者采用重要度、復(fù)雜度、技術(shù)水平、工作時間、環(huán)境因子分值計算方式進行計算，對搭建汽車可靠度有重要參考意義。

所謂可靠性分配，就是把系統(tǒng)(整機產(chǎn)品)的可靠性指標逐級向下，分解成各級組成單元的可靠性指標，是一個自上而下的分解過程。其整車統(tǒng)一置信度為C50，可靠度目標R90，該車型在行駛8年或16×104km后的系統(tǒng)可靠性分配如表3所示。

(1)系統(tǒng)積分=重要度×復(fù)雜度×技術(shù)水平×工作時間×環(huán)境因子。

(2)系統(tǒng)得分比=系統(tǒng)積分/系統(tǒng)總積分。

(4)最后手動修正可靠度。

表3 整車系統(tǒng)可靠性分配

在產(chǎn)品的方案論證階段，有很多因素是未知的， 或者是不確定的。因此，可靠性分配很難做到“精準”，只能將整機產(chǎn)品的可靠性指標“粗略”地分配下去。隨著研制工作的不斷深入，各種數(shù)據(jù)資料的不斷增多，應(yīng)該不失時機地對已分配的指標進行適當?shù)男拚驼{(diào)整。另外，在進行可靠性預(yù)計時，可能會發(fā)現(xiàn)分配的指標不夠合理，這也需要進行調(diào)整。因此，可靠性分配很難做到“一錘定音”，而是一個由粗到精、逐步趨于合理(相對合理)的過程。

同時，將系統(tǒng)產(chǎn)品的重要度水平分成等級，然后按照重要度、復(fù)雜程度等級手工修正可靠度。系統(tǒng)產(chǎn)品可靠度水平等級如表4所示。

表4 系統(tǒng)產(chǎn)品可靠度水平等級

同時，修正系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠度水平等級，需要對它們出現(xiàn)的故障或失效后產(chǎn)生的后果進行評估，而這種評估存在著很大的模糊性，這就要求對技術(shù)水平、工作時間、環(huán)境因子也進行評估。

3 子系統(tǒng)分解

3.1 前懸麥弗遜系統(tǒng)

麥弗遜式獨立懸架是眾多懸掛系統(tǒng)中的一種，將白車身與車輪連接起來的具有彈性功能的系統(tǒng),它的結(jié)構(gòu)尺寸、布置方式、性能參數(shù)等與汽車的駕駛舒適性和操縱穩(wěn)定性息息相關(guān)。它以結(jié)構(gòu)簡單、容易布置、研發(fā)成本低廉、舒適性尚可的優(yōu)點贏得了廣泛的市場應(yīng)用。

通過對麥弗遜式懸架系統(tǒng)的可靠性框圖進行研究，結(jié)合麥弗遜式懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，常用的麥弗遜懸架系統(tǒng)是一種混聯(lián)系統(tǒng)?？煽啃钥驁D中具有串聯(lián)零件、并聯(lián)零件、混聯(lián)零件。其中，減震器與螺旋彈簧并聯(lián)，然后與橫向穩(wěn)定桿組成串聯(lián)，再與轉(zhuǎn)向節(jié)總成串聯(lián)，同時三角控制臂、襯套串聯(lián)后與輪胎并聯(lián)、與轉(zhuǎn)向節(jié)總成呈串聯(lián)，左右懸架系統(tǒng)間是一種并聯(lián)關(guān)系，最終得到可靠性框圖，如圖5所示。

圖5 常用的麥弗遜式懸架系統(tǒng)的可靠性混聯(lián)框圖

根據(jù)可靠度定義，產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的可信概率。由圖6可知，麥弗遜式懸架系統(tǒng)在1×104km之內(nèi)可靠度為R99.9C50；在1×105km時，可靠度約R97C50；在16×104km時，可靠度為R95C50；行駛里程超過16×104km之后，懸架系統(tǒng)可靠度隨時間增加而降低，發(fā)生故障頻率次數(shù)增多，可靠性變差。

圖6 麥弗遜式懸架系統(tǒng)可靠性與里程關(guān)系

目前驗證懸架系統(tǒng)的可靠度要求，通常用多通道試驗臺架進行驗證。為達到R99.2C50要求，通過威布爾計算出等效試驗樣本數(shù)量及壽命要求,如表5所示。

表5 系統(tǒng)試驗樣本量與可靠度

試驗的可靠度由試驗樣品數(shù)及置信度水平，其關(guān)系為

R=(1-C)1/N

(1)

或者可以變化為

(2)

式中：R為要求達到的試驗可靠度；C為置信水平；N為試驗樣本數(shù)。

3.2 制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)的主要功能是汽車行車或轉(zhuǎn)向時的主動安全措施。汽車行駛中如需要停下車輛，需要通過制動系統(tǒng)阻止輪胎滾動，停止后需要通過手剎鎖死汽車車輪與變速器，避免偶然外力推動汽車運動。制動系統(tǒng)基本組成有4個部分，即功能裝置、控制裝置、傳動裝置和制動器。

制動系統(tǒng)失效主要有2種：(1)關(guān)聯(lián)失效。由于組成制動系統(tǒng)的各個零件、裝配件的故障所引起的系統(tǒng)失效。(2)環(huán)境失效。由于輪胎與地面附著阻力條件不良所引起制動失效，也就是剎車不靈或者剎車距離比較長，不能在短距離內(nèi)把車停下來。這2種失效在起因和影響制動兩方面都是大不相同的。關(guān)聯(lián)失效可能是由于制動系統(tǒng)零件、裝配件的功能策略喪失，或者功能達不到滿足要求的部分失效，制動系統(tǒng)仍然可以正常工作。外部失效情況比較復(fù)雜，它是由于車輪與地面的附著阻力不良造成的剎車不靈或者剎車距離比較長的故障。

根據(jù)制動系統(tǒng)失效關(guān)系，設(shè)前制動失效、前左側(cè)制動失效、前右側(cè)制動失效、后制動失效、后左側(cè)制動失效、后右側(cè)制動失效的可靠度分別為R1、R2、R3、R4、R5、R6，如圖7所示。制動系統(tǒng)的可靠度為 ：R98.4=1-(1-R1)·(1-R4)=1-[(1-R2)·(1-R3)]·[(1-R5)·(1-R6)]，最終得到制動系統(tǒng)各個總成零部件的可靠度。

制動系統(tǒng)的可靠度驗證，除了通過其零部件總成的可靠度進行R98.4C50要求驗證，還可以用整車底盤專項試驗驗證制動系統(tǒng)可靠度，如表6所示，該循環(huán)次數(shù)等效3倍整車級8年或16×104km要求,通過威布爾理論計算得出試驗樣車為4輛車。

圖7 制動失效流程

特征路速度/(km·h-1)循環(huán)次數(shù)/次1號制動路80～01 5002號制動路60～01 3003號制動路80～01 2004號制動路80～01 200

4 結(jié)論

本文作者根據(jù)整車R90C50的可靠度目標，基于系統(tǒng)重要度、復(fù)雜度、技術(shù)水平、工作時間、環(huán)境因子評估并分解可靠度到各個子系統(tǒng)上。根據(jù)系統(tǒng)或零部件總成可靠度，運用威布爾理論計算分析，獲取最優(yōu)樣本量或加載零部件總成的壽命。

整車可靠度不僅僅是由子系統(tǒng)、零件總成可靠度決定，駕駛者的操作對可靠度的影響也很大；有些系統(tǒng)級試驗臺架費用昂貴，可以通過整車專項試驗進行可靠度評估。

可靠性開發(fā)工程科學(xué)的分析方法已經(jīng)在汽車研發(fā)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，是汽車安全設(shè)計、壽命要求的關(guān)鍵指標要素，但是仍然有許多工作有待進一步改進。