范禪金，許彪，種暉

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

汽車行業(yè)的不斷發(fā)展對汽車零部件的可靠性提出了更高的要求，特別是對重型汽車，可靠性直接影響用戶運(yùn)營安全與效益，同時也影響企業(yè)的品牌形象。可靠性貫穿于商用車整車設(shè)計、制造、驗證、評價等各方面，整車可靠性由零部件的可靠性保證，開展零部件可靠性設(shè)計方法研究顯得尤為重要。目前國內(nèi)已對可靠性進(jìn)行了一定研究并制定了可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)體系[1]。國外對可靠性研究較早，已經(jīng)建立了從產(chǎn)品開發(fā)過程到產(chǎn)品維修數(shù)據(jù)的全生命周期可靠性數(shù)據(jù)管理，積累了大量數(shù)據(jù)，形成了系統(tǒng)且完善的可靠性設(shè)計流程與管理體系[2]?？煽啃灾笜?biāo)的分配與轉(zhuǎn)化是零部件可靠性設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文聚焦于可靠性指標(biāo)基本概念、指標(biāo)分配方法及指標(biāo)關(guān)聯(lián)方法，為零件可靠性的后續(xù)設(shè)計提供一定基礎(chǔ)。

1 可靠性概念

從基本概念上講，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間（里程）內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。該定義明確了可靠性開發(fā)的基本要素：規(guī)定條件（工況）、規(guī)定時間（考察點(diǎn)）、規(guī)定功能（功能定義）、能力（規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的程度）。

2 可靠性指標(biāo)

汽車的可靠性水平需要用可靠性指標(biāo)來進(jìn)行量化評價，評價其能夠多大程度地在規(guī)定的條件下實現(xiàn)其規(guī)定功能。本文主要利用可靠度、不可靠度、故障概率密度、平均故障間隔里程等概念進(jìn)行汽車可靠性指標(biāo)評價。

2.1 可靠度

可靠度是用來描述產(chǎn)品在特定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，系統(tǒng)有較高的可靠度，其運(yùn)行時間或里程就越長，可靠度是一種概率度量。

可靠度的取值范圍：

可靠度指標(biāo)一般用于整車壽命評價，例如，B10 壽命。

2.2 不可靠度

不可靠度能夠體現(xiàn)產(chǎn)品喪失功能的概率，系統(tǒng)有較高的不可靠度，其運(yùn)行時間或里程就越短，也是衡量產(chǎn)品可靠性的指標(biāo)之一。

不可靠度的取值范圍：

不可靠度有時稱為故障分布函數(shù)，即在規(guī)定的條件下，在某一時刻或里程發(fā)生故障的累積概率?？煽慷扰c不可靠度的關(guān)系：

2.3 故障概率密度

故障概率密度是指單位時間或里程內(nèi)發(fā)生故障的概率，用來描述故障分布的形態(tài)，若故障分布函數(shù)是連續(xù)可導(dǎo)的，其關(guān)系式為：

2.4 平均故障間隔里程

除了可靠度以外，平均故障間隔里程（MTBF）通常作為整車或系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，相鄰故障間隔的平均里程稱為平均故障間隔里程[3]。對于非長壽命且非關(guān)鍵件通常使用MTBF 進(jìn)行指標(biāo)的分配。

3 可靠性常用分布模型

因車輛的故障里程是隨機(jī)變量，其數(shù)值范圍通常服從一定的統(tǒng)計分布。常用的分布模型有正態(tài)分布、指數(shù)分布、威布爾分布等，其對應(yīng)的故障概率密度函數(shù)、可靠度函數(shù)、故障率表達(dá)式如圖1 所示。

圖1 可靠性常用分布模型[4]

4 零部件可靠性指標(biāo)分配方法

在可靠性正向開發(fā)流程中，零部件可靠性指標(biāo)由整車自上而下分配得到。以某重型卡車懸架推力桿為例介紹可靠性指標(biāo)分配方法在產(chǎn)品可靠性開發(fā)中的應(yīng)用。懸架系統(tǒng)由包括推力桿在內(nèi)的多個零件組成，只要其中一個零件發(fā)生故障，則系統(tǒng)發(fā)生故障。系統(tǒng)與各零件的關(guān)系可用串聯(lián)模型描述。其懸架系統(tǒng)可靠性框圖如圖2 所示，其對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式如式（5）所示。

圖2 串聯(lián)模型可靠性框圖

假設(shè)懸架系統(tǒng)與各零件服從指數(shù)分布（里程可靠性指標(biāo)的分配即為確定分布參數(shù)），其故障概率密度函數(shù)表達(dá)式為：

懸架系統(tǒng)可靠度函數(shù)和平均故障間隔里程（由唯一分布參數(shù)λs確定）為：

因懸架系統(tǒng)與各零件服從指數(shù)分布，且為串聯(lián)模型，故系統(tǒng)與各零件的可靠度關(guān)系式為：

將式（7）代入式（9），進(jìn)一步得到：

其中，λs和λi分別為懸架系統(tǒng)和各零件的指數(shù)分布參數(shù)。

若沒有約束條件，式（10）有無數(shù)個解?？紤]到相似產(chǎn)品的設(shè)計具有繼承性，可采用等比例分配法確定新開發(fā)零件的MTBF?；诋?dāng)前可靠性水平，將懸架系統(tǒng)的每個零件按照等比例進(jìn)行分配，則每個零件新的分布參數(shù)為：

將懸架系統(tǒng)可靠性提升幅度及當(dāng)前推力桿分布參數(shù)代入式（11），即可得到推力桿新的指數(shù)分布參數(shù)，進(jìn)一步得到其MTBF 提升指標(biāo)。

5 里程可靠性指標(biāo)與疲勞壽命指標(biāo)的關(guān)聯(lián)

完成里程可靠性指標(biāo)分配后，為了便于進(jìn)一步進(jìn)行可靠性設(shè)計，需將里程可靠性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為疲勞壽命指標(biāo)，即進(jìn)行兩者的關(guān)聯(lián)。

將推力桿載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計數(shù)及等效處理，得到如圖3 所示的譜塊。該譜塊具有里程和載荷分布信息。假設(shè)推力桿分配所得MTBF 為L，譜塊對應(yīng)里程為l，則推力桿的疲勞壽命K 為：

式（12）表示該推力桿在特定譜塊下的循環(huán)周次為K。譜塊和疲勞壽命K 作為輸入，用于后續(xù)的可靠性設(shè)計。

圖3 基于雨流計數(shù)處理的譜塊

6 結(jié)論與展望

本文以某重型卡車懸架推力桿為研究對象，研究了可靠性指標(biāo)的分配方法，以及里程可靠性指標(biāo)與疲勞壽命指標(biāo)的關(guān)聯(lián)模型，為后續(xù)的可靠性設(shè)計提供了輸入。本文提出的方法對重型卡車及其零件的可靠性設(shè)計具有借鑒意義，但重型卡車是一個復(fù)雜裝備系統(tǒng)，不同零部件特性亦有差異?？煽啃灾笜?biāo)設(shè)定與分配方法仍需進(jìn)一步優(yōu)化，以反映不同零部件的差異性，提高指標(biāo)分配的合理性。