黎樹(shù)貞　王占魁

摘 要：簡(jiǎn)要介紹了目前汽車(chē)可靠性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，指出產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)過(guò)程的基本內(nèi)容，說(shuō)明可靠性驗(yàn)證的一般方法和過(guò)程。同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)，概括了提高可靠性一些設(shè)計(jì)方法。希望通過(guò)可靠性設(shè)計(jì)方法和驗(yàn)證方法等知識(shí)的介紹，提高汽車(chē)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)水平，以保證汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：可靠性設(shè)計(jì) 試驗(yàn) 改進(jìn)

1 引言

汽車(chē)作為家庭代步工具和運(yùn)輸載體工具，整車(chē)系統(tǒng)功能、性能的可靠性直接影響駕駛者和乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此購(gòu)買(mǎi)者對(duì)于汽車(chē)的可靠性十分關(guān)注，同時(shí)汽車(chē)企業(yè)為了擴(kuò)大市場(chǎng)占有率和提高銷(xiāo)量，也對(duì)其產(chǎn)品的可靠性十分重視。汽車(chē)可靠性是指汽車(chē)在規(guī)定的條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[1]。汽車(chē)在投放市場(chǎng)前的可靠性設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作，是汽車(chē)產(chǎn)品可靠性的起點(diǎn)和基礎(chǔ)，決定了汽車(chē)的固有可靠性，所以整車(chē)零部件的前期設(shè)計(jì)工作意義重大。

2 可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容與過(guò)程

汽車(chē)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的流程大致如下：

（1）制定和分配可靠性目標(biāo)；

（2）產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算；

（3）可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)；

（4）可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)。

2.1 制定和分配可靠性目標(biāo)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)汽車(chē)類型和用戶需求制定整車(chē)的可靠性指標(biāo)目標(biāo)，汽車(chē)行業(yè)內(nèi)普遍采用的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)項(xiàng)目如下表1。設(shè)計(jì)人員綜合分析各系統(tǒng)的技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行指標(biāo)分配。指標(biāo)分配的方法可以是按從整體分解到局部，即整車(chē)系統(tǒng)子系統(tǒng)部件零件；也可以根據(jù)對(duì)標(biāo)行業(yè)內(nèi)相同參數(shù)的產(chǎn)品合理選擇。最終設(shè)定的整車(chē)和各個(gè)系統(tǒng)的可靠性目標(biāo)值，將作為工程師設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)的基本參數(shù)，執(zhí)行到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)過(guò)程中去?？煽啃阅繕?biāo)指標(biāo)的定義依據(jù)主要為：

（1）調(diào)研開(kāi)發(fā)車(chē)型的目標(biāo)用戶對(duì)車(chē)的可靠性期望值，充分分析用戶需求；

（2）對(duì)標(biāo)與計(jì)劃開(kāi)發(fā)車(chē)型同級(jí)別車(chē)的指標(biāo)，分析該車(chē)型需要超越的點(diǎn)；

（3）分析該車(chē)型所用關(guān)鍵零部件的技術(shù)狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際技術(shù)能力設(shè)定開(kāi)發(fā)車(chē)型的目標(biāo)。

2.2 產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算

可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算，需要把整車(chē)各個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化成可修理的串聯(lián)系統(tǒng)，評(píng)價(jià)可靠性總目標(biāo)值的主要參數(shù)是平均故障間隔里程（MTBF）和有效度（A）。設(shè)計(jì)人員需要繪制可靠性邏輯圖，建立系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型，然后把系統(tǒng)的可靠性特征量表示為零件可靠性特征量的函數(shù)[2]。設(shè)計(jì)過(guò)程中工程師們可以采用產(chǎn)品FMEA分析方法、以往試驗(yàn)驗(yàn)證問(wèn)題統(tǒng)計(jì)分析和售后故障分布統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)以上數(shù)據(jù)和分析，經(jīng)過(guò)一定轉(zhuǎn)換規(guī)則，得出各個(gè)設(shè)計(jì)件的平均故障間隔里程（MTBF）和有效度（A）等參數(shù)。

由所得零部件數(shù)據(jù)匯總，計(jì)算出系統(tǒng)和整車(chē)的可靠性特征量。

（1）

（2）

（3）

（4）

式中：

MTBF——平均故障間隔里程，產(chǎn)品、系統(tǒng)、零部件從正常到發(fā)生故障時(shí)的平均里程;

MTBFf——第f個(gè)子系統(tǒng)的平均故障間隔里程；

f——子系統(tǒng)代碼；

F——子系統(tǒng)的數(shù)量；

V——平均速度；

Af——第f個(gè)子系統(tǒng)的有效度， 產(chǎn)品、系統(tǒng)、零部件在，規(guī)定的條件，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能（無(wú)故障）的概率；

MTTFf——第f個(gè)子系統(tǒng)的平均修理時(shí)間，產(chǎn)品、系統(tǒng)、零部件從發(fā)生故障到修理完成所需時(shí)間；

Kf——第f個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)量；

S——無(wú)故障行駛總里程；

n——試驗(yàn)車(chē)數(shù)量；

λD——當(dāng)量故障率；

rDj——第j輛車(chē)故障數(shù)；

S——試驗(yàn)總里程；

2.3 可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)

汽車(chē)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的流程如下：

（1）確定試驗(yàn)行駛里程分配與配載，試驗(yàn)車(chē)輛數(shù)量；

（2）組織制造試驗(yàn)整車(chē)；

（3）實(shí)車(chē)驗(yàn)證；

（4）故障問(wèn)題記錄、處理；

（5）出具試驗(yàn)報(bào)告。

汽車(chē)企業(yè)在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)產(chǎn)品時(shí)，其系統(tǒng)、零部件的使用工況和功能、性能等特征值不會(huì)囊括所有用戶群體的需求，因?yàn)榘凑杖枨笤O(shè)計(jì)，出來(lái)的產(chǎn)品成本會(huì)成倍增加，將導(dǎo)致產(chǎn)品性價(jià)比低，客戶望而止步。通常汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)會(huì)選擇B10 壽命設(shè)計(jì)法，即按照滿足90%用戶的使用目標(biāo)進(jìn)行車(chē)輛行駛里程的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[3]。據(jù)此，企業(yè)在開(kāi)發(fā)階段的可靠性試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，根據(jù)以上比例原則統(tǒng)計(jì)實(shí)際使用工況和使用習(xí)慣，獲取相應(yīng)的整車(chē)載荷譜、環(huán)境狀況等信息，主要內(nèi)容包括用戶使用車(chē)型、路面狀況、里程比例、車(chē)速、負(fù)載、交通環(huán)境、自然壞境（地理環(huán)境、氣候壞境）以及駕駛員的駕駛習(xí)慣等[4]。

路試和臺(tái)架試驗(yàn)方案記錄格式如下表2所示。

試驗(yàn)樣車(chē)應(yīng)為按照設(shè)計(jì)要求制造的全新車(chē)輛，且經(jīng)過(guò)研發(fā)部門(mén)和試驗(yàn)部門(mén)共同驗(yàn)收，對(duì)于不符和驗(yàn)收要求的項(xiàng)目，須進(jìn)行調(diào)整，直至滿足驗(yàn)收要求，方可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。同時(shí)用于裝車(chē)的零部件和系統(tǒng)盡量做完各自的可靠性驗(yàn)證，優(yōu)化達(dá)到可靠設(shè)計(jì)的要求在搭載在整車(chē)上進(jìn)行匹配驗(yàn)證。

實(shí)車(chē)驗(yàn)證可以依據(jù)試驗(yàn)方式的不同，分為臺(tái)架道路模擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)道路行駛試驗(yàn)。臺(tái)架道路模擬實(shí)驗(yàn)是將前期收集的可靠性整車(chē)載荷譜輸入到臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備中，將整車(chē)放置在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行加速試驗(yàn)；真實(shí)道路行駛試驗(yàn)可分為在普通道路試驗(yàn)場(chǎng)地上進(jìn)行的常規(guī)可靠性試驗(yàn)和在專門(mén)的試驗(yàn)道路上進(jìn)行的快速可靠性試驗(yàn)，快速可靠性試驗(yàn)的場(chǎng)地設(shè)置相當(dāng)于在普通道路上增加了一定的試驗(yàn)系數(shù)，相比普通試驗(yàn)道路有時(shí)間和裕度優(yōu)勢(shì)。特別的，對(duì)于一些在以上試驗(yàn)路況和載荷條件上不能有效驗(yàn)證的系統(tǒng)，還需要進(jìn)行附加考核要求，例如，某車(chē)型在某試驗(yàn)場(chǎng)道路條件下試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)考核不充分，為了充分驗(yàn)證，需增加附加考核要求，即在整車(chē)磨合后，增加7000km的山區(qū)公路行駛。

故障記錄及處理要求，在試驗(yàn)車(chē)驗(yàn)收過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的故障需要進(jìn)行的調(diào)整，不須納入到故障統(tǒng)計(jì)中。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的所有故障都須記錄，并按照企業(yè)車(chē)型要求，對(duì)故障進(jìn)行分級(jí)。凡是經(jīng)過(guò)調(diào)整、更換、維修等處置的故障，須詳細(xì)記錄故障發(fā)生和維修過(guò)程的各種信息，對(duì)于故障原因明確，且經(jīng)試驗(yàn)部門(mén)和研發(fā)部門(mén)共同確認(rèn)，不會(huì)誘發(fā)連鎖反應(yīng)的故障，可以先更換故障的零部件，以便在故障整改期間能繼續(xù)試驗(yàn)。故障整改要求，試驗(yàn)過(guò)程中所有一般及以上故障，必須全部關(guān)閉，并出具對(duì)應(yīng)的整改報(bào)告，故障整改不能誘發(fā)其他故障，或者增加其它零部件的故障率。

試驗(yàn)報(bào)告要求，試驗(yàn)完畢后，試驗(yàn)部門(mén)須出具整車(chē)道路可靠性試驗(yàn)報(bào)告，經(jīng)研發(fā)部門(mén)會(huì)簽，報(bào)告應(yīng)符合GB/T 12678中的相關(guān)要求，包含以下內(nèi)容：a、試驗(yàn)?zāi)康?；b、試驗(yàn)依據(jù)；c、試驗(yàn)對(duì)象；d、試驗(yàn)條件：車(chē)輛、載荷、道路、氣象條件，油料及各路段實(shí)際行駛里程；e、試驗(yàn)結(jié)果。

2.4 可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)

可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)的來(lái)源可分為，產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的故障問(wèn)題處理更改和售后用戶使用中可靠性問(wèn)題的分析優(yōu)化。根據(jù)各個(gè)渠道收集的問(wèn)題，認(rèn)真分析根本原因，針對(duì)原因制定合理的結(jié)構(gòu)功能改進(jìn)方案，進(jìn)行驗(yàn)證合格后替換原有產(chǎn)品。

3 提高可靠性其他設(shè)計(jì)方法

3.1 優(yōu)先采用成熟產(chǎn)品的成熟結(jié)構(gòu)

汽車(chē)零部件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)往往不是新發(fā)明產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)和功能基本都是存在的，設(shè)計(jì)者需要在選用時(shí)參考成熟的產(chǎn)品，成熟的產(chǎn)品指的是已經(jīng)量產(chǎn)銷(xiāo)售一段時(shí)間，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)和用戶驗(yàn)證過(guò)的產(chǎn)品。目前汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量開(kāi)發(fā)一部分原因也是因?yàn)榻鼛资晷袠I(yè)內(nèi)各個(gè)領(lǐng)域積累了豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

3.2 優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)化、通用化結(jié)構(gòu)往往是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格評(píng)審，在各個(gè)項(xiàng)目驗(yàn)證過(guò)的最優(yōu)解決方案。就算該結(jié)構(gòu)發(fā)生問(wèn)題，也能通過(guò)在某一車(chē)型上的優(yōu)化驗(yàn)證后直接借用到其他車(chē)型中去，能節(jié)約大量的更改驗(yàn)證時(shí)間，同時(shí)提高該結(jié)構(gòu)的可靠度。

3.3 提高設(shè)計(jì)計(jì)算模型、載荷譜和應(yīng)力分布等準(zhǔn)確性

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后的計(jì)算中，需要運(yùn)用數(shù)學(xué)力學(xué)模型公式，進(jìn)行設(shè)計(jì)值計(jì)算，通過(guò)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)計(jì)算值和試驗(yàn)值的對(duì)比，持續(xù)優(yōu)化力學(xué)模型公式，讓模型與道路試驗(yàn)接近，為設(shè)計(jì)者在前期進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升開(kāi)發(fā)質(zhì)量。

3.4 設(shè)定合理的安全系數(shù)

進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作中， 理論上滿足工作應(yīng)力≤許用應(yīng)力的條件時(shí)該結(jié)構(gòu)可靠性高。當(dāng)設(shè)計(jì)中確定邊界參數(shù)和結(jié)構(gòu)后， 應(yīng)進(jìn)行CAE仿真計(jì)算， 得出產(chǎn)品工作應(yīng)力與零部件強(qiáng)度值之間的關(guān)系，設(shè)定一定安全系數(shù)，目的是讓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于工作應(yīng)力， 使結(jié)構(gòu)可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷由量到質(zhì)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，產(chǎn)品可靠性質(zhì)量是消費(fèi)者重點(diǎn)關(guān)注的產(chǎn)品特性，也是各個(gè)汽車(chē)企業(yè)獲得忠實(shí)消費(fèi)者的關(guān)鍵。因此，汽車(chē)設(shè)計(jì)者們要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品使用的各個(gè)階段加強(qiáng)各個(gè)零部件、系統(tǒng)可靠性方面的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證研究，讓消費(fèi)者用到優(yōu)質(zhì)可靠的整車(chē)產(chǎn)品，同時(shí)也能讓企業(yè)獲得更高的銷(xiāo)量和利潤(rùn)。

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