韋仲寧，萬茂林

(廣州小鵬汽車科技有限公司汽車技術中心，廣東廣州 510640)

0 引言

耐久性試驗是轎車開發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，然而制造樣車和設計驗證會消耗大量的人力、物力和財力。設計驗證與問題暴露經過了3個階段的發(fā)展，第一階段：在90年代早期，各大汽車公司通過增加設計員與產品工程師之間的面對面交流，來增強聯(lián)合解決問題的能力。他們在第一輪樣車階段就找出并更正了40%的問題，在工裝樣車階段解決75%問題[1]；第二階段：隨著CAD、CAM與CAE等技術的飛速發(fā)展，第一輪樣車階段能夠發(fā)現(xiàn)并更正大約55%的問題，在工裝樣車階段大約為90%；第三階段：運用虛擬試驗技術，在設計階段就可以發(fā)現(xiàn)并解決60%的問題，在第一次樣車階段發(fā)現(xiàn)并更正大約85%的問題，在工裝樣車階段解決95%問題，如圖1所示。

新車型開發(fā)過程中，各系統(tǒng)或零部件的試驗技術規(guī)范主要是根據(jù)以往的平臺項目經驗或其他廠家數(shù)據(jù)編制制定的，在沿用過程中會導致一些零部件過度設計而浪費成本，有些安全件的設計未達到要求，從而影響整車的使用壽命及口碑，在市場競爭中丟失市場份額。為達到既定的應用功能和要求，在開發(fā)過程中需要應用可靠度、置信度來平衡零部件、系統(tǒng)總成、整車成本、質量、開發(fā)周期等因素，如圖2所示。

圖1 汽車3個階段解決問題比例

圖2 制約可靠度因素

本文作者基于整車可靠度分解，分別從零部件試驗、系統(tǒng)試驗以及整車試驗進行試驗成本分析，評估降低成本、優(yōu)化試驗樣本量應該重點把控的環(huán)節(jié)。

1 可靠性理論

1.1 系統(tǒng)可靠度

文中的系統(tǒng)可靠度指的是系統(tǒng)在規(guī)定時間內完成整車功能的概率。可以把汽車整車拆解成若干個不同的系統(tǒng)，再把不同系統(tǒng)拆分成不同零件或組件進行研究。

1.2 整車分解

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。目前行業(yè)主流方法是置信度統(tǒng)一，專注于可靠度的提升，置信度推薦參考C50或C70。

在保證整車置信度統(tǒng)一的條件下，汽車產品的可靠度還遵循兩點分配原則，其可靠性分配流程如圖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)關注點明確：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

在確定各系統(tǒng)的可靠性指標后，基于指標要求開展系統(tǒng)及零部件開發(fā)，從而避免產品過設計或不滿足設計[3]。

2 成本分析

2.1 等效解析

虛擬仿真分析是汽車開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，通過虛擬CAE仿真分析能夠在設計早期發(fā)現(xiàn)很多耐久性問題并加以修正，并且能大大縮短試驗周期，因而得到了廣泛的應用[4]。

企業(yè)選擇能覆蓋90%用戶行駛情況的試驗場進行耐久性整車加速試驗，通過六分力、加速度、應變花等方式獲取載荷譜，并通過該載荷譜進行偽損傷分析。

如某車企耐久規(guī)范，通過統(tǒng)計用戶使用條件，分析得出覆蓋90%用戶的結果：汽車使用8年或行駛16×104km里程與試驗場耐久工況循環(huán)總數(shù)6 922次等效。扭轉梁系統(tǒng)1倍壽命的累積偽損傷為0.268，如表1所示。

表1 常規(guī)耐久試驗損傷分析

2.2 線性累積損傷

結構在循環(huán)載荷作用下，內部產生損傷，需要尋找一個合適的物理量，能夠描述結構受損的嚴重程度。

基本假設：各級交變應力引起的疲勞損傷可以分別計算，然后再線性疊加[2]。

(1)

結構發(fā)生斷裂失效時(D=1)，其線性累積損傷值為

(2)

2.3 零部件開發(fā)

確定系統(tǒng)可靠度目標之后，根據(jù)系統(tǒng)可靠度進一步分解至零部件，并且在CAE分析階段(概念設計)就基于該可靠度要求進行零部件疲勞壽命分析。

汽車零部件的研發(fā)需要經過漫長而嚴格的過程，需要大量人員參與，確保每一個過程都順利進行。如果在產品開發(fā)中，在零部件試驗或系統(tǒng)試驗期間未提前發(fā)現(xiàn)問題，那么在整車試驗過程若發(fā)現(xiàn)嚴重的安全隱患問題，量產時間會被推遲。某產品開發(fā)流程如圖4所示。

圖4 產品開發(fā)流程

圖5所示為在可靠度R99C50要求下，零件壽命倍數(shù)與試驗樣本之間的關系曲線。即在R99C50要求下，隨著樣本量的增多，樣本的壽命倍數(shù)逐步遞減；樣本量越少，驗證的壽命倍數(shù)越多。該曲線斜率證明優(yōu)化試驗樣本量，應采取3-5個區(qū)間樣本量進行試驗。

圖5 壽命倍數(shù)與試驗樣本關系

零部件試驗或系統(tǒng)試驗時，在驗證過程中樣本量越多,發(fā)現(xiàn)的問題越多，越能保證零件的可靠性[5]。但企業(yè)不可能無限制地擴大試驗樣本數(shù)量，樣本數(shù)量越多,試驗開發(fā)成本也越高，而且開發(fā)周期的要求也會限制試驗樣本數(shù)量?；趥螕p傷累積分析，加速耐久試驗100 h等效1倍壽命，每小時的試驗費用為100元，樣件費用2 000元/件，表2是某產品試驗成本的計算方式。

根據(jù)該產品R99C50的要求，繪制出試驗樣本量與開發(fā)費用之間的關系曲線，如圖6所示。由曲線斜率看出，試驗成本隨樣本量的增加逐步遞增，試驗樣本量在5件之內費用增幅大，分析曲線斜率得出，為控制試驗成本，應使樣本量小于5件。

表2 產品模糊試驗費用計算方法

圖6 該產品在R99C50條件下的樣本量與費用關系

3 扭轉梁案例分析

3.1 扭轉梁系統(tǒng)可靠度

整車統(tǒng)一置信度為C50，整車可靠度目標為R90，某車型在8年或16×104km的系統(tǒng)可靠性分配中，扭轉梁系統(tǒng)指標為R97C50，扭轉梁系統(tǒng)結構如圖7所示。

圖7 扭轉梁系統(tǒng)結構

通過對扭轉梁系統(tǒng)進行可靠性框圖研究，該系統(tǒng)為混聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性框圖中包含串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)的子系統(tǒng)。首先減震器與螺旋彈簧并聯(lián)，制動器總成與輪胎串聯(lián)，彈性系統(tǒng)、扭轉梁、輪胎系統(tǒng)串聯(lián)成一個總系統(tǒng)，最終得到扭轉梁懸架系統(tǒng)，可靠性框圖如圖8所示[3]。

圖8 扭轉梁懸架系統(tǒng)可靠性框圖

分析可靠性框圖，得出扭轉梁系統(tǒng)下一級各零部件及總成的可靠度要求，如表3所示。

3.2 零件及總成試驗成本分析

(1 )彈簧耐久試驗。加載頻率：1 Hz；試驗行程：325～165 mm；試驗次數(shù)：75萬次；彈簧樣本：4條；評價指標：疲勞試驗后未出現(xiàn)斷裂，負荷損失不大于5%、剛度損失不大于5%。

(2)彈簧腐蝕疲勞耐久試驗。加載頻率：1 Hz；試驗行程：325～165 mm；試驗次數(shù)：35萬次；彈簧樣本：4條；評價指標：腐蝕鹽溶液，每隔5 min霧狀噴淋1 min；試驗后設計負荷損失不大于5%，剛度損失不大于5%。

(3)減震器總成臺架耐久試驗。加載頻率：高頻11.5 Hz、低頻1.5 Hz；試驗行程：高頻行程ΔL±15 mm、低頻行程ΔL±40 mm；試驗次數(shù)：高頻次數(shù)350萬次、低頻100萬次；試驗樣本：4件；評價指標：試驗后，阻尼力衰減率不大于25%，復原阻尼力衰減率不大于20%，無卡滯、異響、滲油或漏油等現(xiàn)象。

(4)扭轉梁扭轉疲勞試驗。加載頻率：5 Hz；試驗行程：±45 mm扭轉疲勞或4.5°扭轉疲勞；試驗次數(shù)：150萬次±45 mm加載或100萬次4.5°加載；試驗樣本：3件；評價指標：無可見裂紋，無明顯永久變形。

(5)制動器總成駐車制動耐久試驗。加載頻率：1 Hz；試驗行程：卡鉗夾緊和釋放循環(huán)；試驗次數(shù)：50萬次；試驗樣本：3件；評價指標：滿足夾緊釋放功能，未出現(xiàn)明顯性能衰退。

(6)車輪徑向疲勞試驗。加載頻率：3 Hz；載荷要求：12 500 N；試驗次數(shù)：150萬次；試驗樣本：3件；評價指標：

車輪不能繼續(xù)承受載荷或車輪任何部位出現(xiàn)裂紋。

試驗開發(fā)費用由樣本費、試驗費、樣件郵寄費、出差跟蹤費等費用組成，文中主要對樣件費、試驗費進行模糊估算。但每個零部件及總成的試驗開發(fā)費用計算方式不同，文中統(tǒng)一設定疲勞耐久試驗按小時計算，扭轉梁系統(tǒng)各零部件及總成的試驗開發(fā)費匯總如表4所示。

表4 零部件耐久開發(fā)試驗費估算

3.3 扭轉梁系統(tǒng)試驗成本分析

扭轉梁系統(tǒng)試驗用十二通道試驗臺架，也有主機廠無系統(tǒng)試驗，直接用整車搭載對扭轉梁系統(tǒng)進行驗證?；诘刃螕p傷載荷譜，如圖9所示，應用累計損傷理論計算出等幅值±60 mm,加載4.6萬次即可等效1倍壽命。

圖9 等效偽損傷道路譜信號

根據(jù)系統(tǒng)R97C50指標，威布爾分析系統(tǒng)3個樣本2.8倍壽命，需要加載12.88萬次。系統(tǒng)臺架根據(jù)以下條件進行試驗驗證，扭轉梁懸架系統(tǒng)試驗如圖10所示。加載頻率：1 Hz；試驗行程：±60 mm，左右同時加載(相位差為180°)；試驗次數(shù)：循環(huán)次數(shù)12.88萬次；試驗樣本：3件；評價指標：焊縫或本體開裂≤10 mm，在試驗中若發(fā)現(xiàn)橡膠襯套、減震器、彈簧等零部件提前損壞或失效，應及時更換零件。

根據(jù)系統(tǒng)試驗每小時2 000元試驗費，樣件費10 100元，計算分析系統(tǒng)耐久試驗開發(fā)費用?；赗97C50計算扭轉梁系統(tǒng)開發(fā)試驗成本，如表5所示。

圖10 扭轉梁懸架系統(tǒng)試驗

表5 扭轉梁系統(tǒng)耐久開發(fā)試驗費估算

當系統(tǒng)樣本量小于等于2件時，零部件及總成開發(fā)試驗費約55萬元，大于扭轉梁系統(tǒng)開發(fā)試驗費；當系統(tǒng)樣本量大于等于3件時，零部件及總成開發(fā)試驗少于系統(tǒng)試驗費用，如圖11所示。

圖11 零部件試驗與系統(tǒng)耐久試驗成本比較

3.4 整車耐久試驗成本分析

企業(yè)驗證整車結構耐久，通常采取整車高強耐久試驗標準，表6是某主機廠在某試驗場的高強耐久試驗規(guī)范。

有部分主機廠為了節(jié)約成本，未進行系統(tǒng)專項試驗，直接用整車高強耐久試驗去驗證各系統(tǒng)結構耐久。在西部墊江試驗場試驗，一輪整車高強耐久試驗費用為15萬元/輛，生產的試驗樣車費用40萬元/輛，分析可靠度、研發(fā)費用(試驗費與樣車費)與樣本量的關系，結果如圖12—圖13所示。

表6 高強耐久試驗規(guī)范

圖12 可靠度與整車樣本量關系

圖13 試驗開發(fā)成本與整車樣本量關系

4 結論

本文作者從可靠度角度，模糊評估驗證扭轉梁系統(tǒng)R97C50指標，零部件及總成試驗開發(fā)成本(約55萬元)<扭轉梁系統(tǒng)試驗開發(fā)成本(樣本量3件，約64萬元)<整車級驗證扭轉梁系統(tǒng)試驗成本(1 265萬元)，整車級試驗是零件級、系統(tǒng)級試驗成本的20倍左右，不建議用整車級試驗去驗證系統(tǒng)或零部件可靠度。

比較并分析成本數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)級試驗為2-3個樣本量時，零部件級試驗(約55萬元)與系統(tǒng)級試驗開發(fā)成本相差不大(2個樣本約51萬元，3個樣本約64萬元)。在沒有系統(tǒng)臺架的條件下，可以通過提高零部件級可靠度指標，達成節(jié)約成本的目的。

在概念設計階段確立零部件可靠度的設計目標，保證整車可靠度指標要求，符合研發(fā)費用最優(yōu)化策略。