1.2 汽車可靠性研究相關技術和方法

1.2.1 車輛虛擬樣機仿真

傳統的產品開發過程一般需經過概念設計、方案設計、細部設計、試驗室試驗、樣機生產、批量生產等諸多階段，產品上市周期長。設計人員的初期設計僅停留在圖紙上，不能預見物理樣機加工出來后可能出現的問題。因此，到了產品的試驗階段，許多未發現的問題被暴露出來。設計人員進行改進后，再重新加工，重復上述的過程。從設計、試制、試驗、改進到最后的投產，花費了大量的人力、物力和財力，但結果卻不能盡如人意。這與現代市場對產品的需求很不適應，如何提高初次設計的成功率是傳統設計方法面臨的一個難題。

虛擬樣機技術是一種嶄新的產品開發方法，它是一種基于產品計算機仿真模型的數字化設計方法。這種開發技術以計算機仿真和建模為依托，融合了智能化設計技術、并行工程、仿真工程和網絡技術等，其最終目標是在產品的物理樣機制造加工前對產品的使用性能、可制造性等進行預測，從而對設計方案進行評估和優化，以達到產品的最優化。虛擬樣機技術應用在產品的設計和開發過程中，將分散的零部件設計和分析技術結合在一起，在計算機上建立產品的整體模型，并針對該產品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預測產品的整體性能，進而改進產品設計，提高產品的性能。它能在產品開發設計階段對模擬樣機進行數值仿真與結構優化、縮短設計周期、降低設計成本、在物理樣機產生之前預先評估設計質量和功效，是現代機械設計系統和設計技術的關鍵。

虛擬產品開發與現實產品開發有一定的對應性，虛擬樣機的設計方法與傳統的設計方法相比具有以下優點：虛擬產品開發消耗物質資源和能源很少，可以在設計的初期確定關鍵的設計參數，在產品投產前對產品的實現方案進行評估和優化，提高了產品實現的可行性和初次設計圖樣的一次有效率。由于大大簡化了物理測試試驗的過程，可以大幅度降低產品的開發成本。虛擬樣機的設計方法比傳統的設計方法縮短了產品上市周期，提高了產品的質量，節省了研發費用。虛擬樣機技術問世后，得到了科研機構和眾多廠家的高度重視，并將虛擬樣機技術引入到各自的產品開發設計中，取得了很好的經濟效益。

1.2.2 VPG技術

隨著車輛仿真計算內容的不斷深入發展，數字化試驗場（Virtual Proving Ground，VPG）的概念也應運而生。目前，國際上有關VPG的技術正在發展中，ETA公司推出了其商業軟件VPG，提供了標準典型的路面模型，如交替擺動路面、槽形路、鵝卵石路、大扭曲路、波紋路、搓板路等。英國MIRA汽車試驗場正式宣布建立了MIRA VPG。但這些都是在國外道路情況的基礎上得到的，不可能在國內找到相對應的試驗路面。由于不同國家的路面條件和汽車的使用條件各不相同，研究建立適合我國汽車試驗場的數字化試驗場才有實際意義。

由于路面種類繁多，汽車試驗場成為進行汽車各類性能試驗的必要場所。同樣，在車輛性能仿真計算中，只有建立了包含各種路面的數據庫，才能使汽車仿真計算的內容更為豐富。可以說，路面的種類決定了整車計算的內容。平整的路面可用于汽車操縱穩定性能的仿真分析；不同等級的路面可用于汽車行駛平順性的計算分析；比利時路與搓板路等可靠性行駛試驗路面可用于對關鍵零部件進行疲勞性能的分析。

每一種新開發的車型都需要進行大量的道路試驗，為此所耗費的人力與經費都非?？捎^。隨著計算機技術的快速發展，國外大公司已經使用仿真計算手段進行相關的研究。在汽車設計的初期，通過在數字化試驗場中對汽車可靠性進行分析，從而縮短設計周期，提高設計質量，降低研發成本。從分析內容方面講，VPG計算技術分析內容是多樣化的。一個分析模型可以進行疲勞壽命計算、振動噪聲分析計算、車輛碰撞歷程仿真、碰撞時乘員安全保護等多種結構非線性分析。同時還可以進行整車非線性運動學和動力學計算，用來進行整車舒適性、高速行駛性能和操縱穩定性研究。

1）在整車分析中，避免了傳統計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）分析部件間受力關系難以確定的困難，如在車身隨機響應疲勞分析中，避免了分析者必須通過樣車試驗確定懸架支點對車身作用力譜，再對這些作用力譜濾波、強化、數字化和對車身支點施加譜載荷譜表等一系列復雜工作（對車身譜分析而言）。對懸架轉向系統運動學和動力學分析而言，不必將車身簡化為剛體，車身對懸架轉向系統的彈性和非線性變形影響可真實計入計算分析中，從而提高了分析精度。

2）以整車為分析對象，邊界條件只有路面和車速。這樣分析載荷實現了規范化、標準化，使計算結果更加真實準確，可比性提高。因為路面載荷數據庫是全面和權威的（如美國獨立的汽車試驗場MGA路面庫），也可以是本公司使用的自行考核試驗路面，分析結果更加真實可信。

3）計算是高度非線性分析，分析中包含了結構非線性因素、車身支撐和發動機支撐等橡膠連接件的非線性因素、懸架轉向系統連接和緩沖件的非線性因素、車輪輪胎的非線性因素、輪胎和地面接觸條件等。因此分析結果中幾乎排除了傳統CAE技術分析時常使用的人為假定，大幅度提高計算精度。

4）在振動噪聲分析中，由于模型有非常大的自由度，析出的振動頻率可不受限制，完全可以得到噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise，Vibration、Harshness，NVH）分析要求的250Hz內的頻率模態，NVH分析評價更加全面。

5）整車高速行駛性能、轉向穩定性能計算也不再受制于傳統計算方法中自由度數量，可同時考慮車身結構變形影響，使計算結果精度提高。

1.2.3 模型構建

在進行整車建模時，采用的多體動力學軟件平臺是ADAMS，ADAMS軟件由眾多模塊組成，其核心的產品是ADAMS/View和ADAMS/Solver，并針對汽車領域建模開發有專用模塊ADAMS/Car。ADAMS軟件也有不足之處，在ADAMS軟件中進行整車計算時可利用的路面較少，特別是沒有與試驗場相關的路面。而數字化試驗場技術對整車仿真有重要的意義，是目前車輛仿真領域研究的熱點。

1.2.4 可靠性試驗

汽車結構強度與壽命試驗是最費時間、人力和物力的，為提高產品可靠性而進行的有關產品的失效及失效效應的試驗都可以稱為可靠性試驗。在汽車產品研制、生產的各個階段，隨著試驗目的、要求和試驗對象的變化，可靠性試驗的類型很多，試驗人員應能做出不同的選擇，能從不同的角度來考慮可靠性試驗方法的分類，汽車可靠性試驗分類如圖1.1所示。

汽車可靠性試驗按試驗場所可以分為現場試驗、試驗場試驗及實驗室試驗，如圖1.2所示。三種試驗方法各有優缺點。現場試驗就是按照實際使用條件進行的可靠性試驗，它能客觀真實地評價產品在實際使用中的可靠性和維修性，其試驗所得的數據和結論最為直截了當也最為可靠。它的缺點是費用消耗大、投入的人力較多，試驗周期長。這種試驗主要是以汽車整車的可靠性為主，也包括一些重要總成的可靠性試驗，是一種綜合性的可靠性試驗。另外，由于用戶使用的試驗場所范圍廣，使用情況復雜多變，不確定因素較多，試驗的重復性相對差些，事先必須有完善的試驗計劃。開發一種新車型至少要進行兩次現場試驗，一次在設計定型前，一次在投產后，每次試驗的持續時間和里程應相當于在用戶手中3～5年的實際使用期。

整車可靠性試驗需要在一定的路面條件下進行，從而取得可靠性試驗數據，這種試驗可以在試驗場進行，也可以在實際道路上進行。在實際道路試驗時，車上一般裝有記錄負荷、應力、速度、溫度的儀器，氣溫、氣壓、風速、里程、燃油和潤滑油的記錄裝置或傳感器?，F場試驗時，挑選試驗的路面一般可分為：平整道路、泥路、山路、城市道路、坑洼的惡劣路面，嚴寒、酷暑地區，高原、高濕、低氣壓地區，試驗中必須有計劃地各取一定的里程?，F場試驗與試驗場試驗各有其優缺點。現場試驗的優點在于真實地再現了用戶的使用條件，其試驗數據真實、可信。缺點是耗資巨大，試驗人員辛苦，試驗周期長，難以尋找合適的試驗環境，工作不方便，不利于損壞件的維修、更換和試驗資料的整理，缺乏安全保障。試驗場試驗的優點在于工作方便，各種試驗條件集于一處，試驗條件較穩定，參數和各種影響因素易于分辨和隔離，適宜有針對性地解決問題；缺點是汽車試驗場的試驗條件與汽車使用地區的條件不盡相同，難以很真實地模擬用戶實際的使用情況，初期投資規模大。因此，研究試驗場與用戶關聯的可靠性試驗方法是一項亟待解決的難題。

1.2.5 強化試驗

汽車道路試驗是考核和評價汽車質量的最終技術措施和手段，而汽車試驗場則是專供汽車進行道路試驗用的場所。汽車試驗場按其功能一般可分為專用汽車試驗場和商用汽車試驗場。專用汽車試驗場通常隸屬于某大型汽車生產廠家，其主要功能是為本公司汽車新產品的開發、新車定型及產品質量控制提供試驗手段；商用汽車試驗場則向全社會開放，為各類客戶提供全方位的汽車道路試驗條件和技術服務，并側重于安全、公害、商檢等法規性試驗和產品定型試驗。

汽車試驗場的主要設施是人工模擬各種試車道路，具體路面分類如圖1.3所示。

1）直線車道：測量汽車最高車速、汽車換檔加速時間、滑行距離、高速制動。

2）彎曲車道：試驗汽車轉向系統、承載系統的可靠性，考核汽車的操縱穩定性能。

3）高速環形車道：檢查汽車傳動系統可靠性，包括發動機、變速器、冷卻系統、潤滑系統、燃油經濟性以及輪胎高速運行條件下的壽命。

4）試驗廣場：用于穩態轉向試驗，通常用噴水法來檢查汽車的不足轉向特性和輪胎的側滑車速。

5）特殊壞路：是一種破壞性路面，包括凹凸不平的石塊路、扭曲路、搓板路，用以考驗懸架和承載系統。

6）特殊環境：人為制造水槽、泥濘、灰塵洞考察汽車在特殊環境下的運行能力。

7）越野場地：設有各種障礙的自然田塊，考察各種軍車的越野能力。

8）風洞試驗：測量汽車外形的風阻系數及空氣動力特性。

9）標淮陡坡：測驗汽車的爬坡能力和駐坡能力。

汽車試驗場建有各種路面，在給定比一般公路更惡劣的行駛工況下，采用增加工作應力的方法加速零部件失效，試驗條件有所強化，以縮短試驗時間，并且可以得到比實際使用試驗更穩定的試驗數據。此外，可以通過人工制造實際上幾乎不存在的特殊條件，考核汽車的極限狀況。因此汽車試驗場的建成和使用，大大促進了我國汽車可靠性試驗工作的開展，提高了汽車可靠性試驗速度和工作質量，縮短了產品的研發周期。汽車在汽車試驗場內進行的可靠性試驗是可靠性強化試驗的一種，可靠性強化試驗主要分為三種：

1）增大負荷法：這里的負荷是廣義的概念，它考慮了應力、溫度、濕度、壓力、振動的影響。

2）濃縮應力法：這種方法不增大（或少增大）零部件承受的載荷，而且盡可能保持實際使用條件中的載荷狀況，但將刪除對可靠性壽命影響小或無影響的實際載荷，此方法容易保持故障模式的一致性。

3）增加試驗樣本數法：在保證相同置信度下，這種方法可以有效地縮短試驗時間。

國外大型的汽車生產廠家一般都很早就建有自己的汽車試驗場，如美國的通用汽車公司早在20世紀20年代就建設了汽車試驗場，英國的汽車工業研究協會（MIRA）、日本汽車研究所（JARI）在20世紀40年代也建設了汽車試驗場。我國汽車試驗場的建設相對要晚，大多在20世紀80～90年代建成投入使用。現已建成使用的汽車試驗場有襄樊汽車試驗場、海南汽車試驗場、解放軍總裝備部定遠汽車試驗場、交通運輸部通縣汽車試驗場及一汽農安汽車試驗場。

隨著我國汽車試驗場的建立，國內車輛產品開發的可靠性行駛試驗工作目前已基本完成了由各種類型的公路試驗到試驗場強化試驗的轉變。汽車試驗場是重現汽車用戶使用過程中遇到的各種道路條件和使用條件而進行汽車整車道路試驗的場所。為滿足汽車的試驗要求，汽車試驗場將實際存在的各種道路經過集中、濃縮、不失真地強化形成典型化的道路。由于汽車試驗在汽車開發過程中處于極為重要的地位，許多汽車企業都投入巨額資金修建大型的汽車綜合試驗場。車輛在試驗場試驗道路上行駛時，與實際使用時的道路條件相比較為惡劣，車輛構件上會產生較實際使用時更大的應力載荷。

相對于實際使用工況，汽車在試驗場苛刻的試驗道路上的行駛試驗是一種加速強化試驗。汽車強化試驗加速系數研究對車輛強化試驗規范的制訂、強化試驗的組織實施及汽車試驗場的設計具有十分重要的作用，也是汽車可靠性試驗技術研究的關鍵內容。研究強化試驗加速系數，一方面可以縮短汽車可靠性試驗周期，降低試驗費用，加快車輛產品開發的速度，提高產品的質量與可靠性；另一方面對揭示汽車可修系統故障發生規律有十分重要的理論價值，它可為車輛的維修、保養、更新計劃的制訂和修改提供理論上的依據。

近年來，我國公路狀況有了很大改善，鋪裝公路和高速公路所占比例越來越大，壞路所占的比例越來越小，汽車平均行駛速度不斷提高。海南汽車試驗場最早制訂了汽車定型可靠性行駛試驗規范，到現在已經運行了很多年。國內其他汽車試驗場基本上都是在海南汽車試驗場定型可靠性行駛試驗規范的基礎上，根據各汽車試驗場的自身特點而制訂的，基本沿用了與十幾年前國內公路狀況相符的道路里程分配。隨著我國道路交通條件和車輛使用條件發生較大變化，必須對現行可靠性行駛試驗規范進行調整。適當增加可靠性行駛總里程，增加高速公路的比例，增加諸如急加速、變換變速器檔位等行駛要求，以達到對傳動系統的加速考核作用。汽車在實際使用中是各種道路混合行駛，考慮到各種路面和工況作用的先后次序對結構疲勞壽命有明顯影響，為了使汽車在汽車試驗場內發生的故障能反映實際行駛情況，同時借鑒福特、雪鐵龍及MIRA等在汽車試驗場進行可靠性行駛試驗的做法，可靠性行駛試驗應循環進行。通過分別對汽車試驗場的可靠性試驗路段進行采樣分析，結合產品特點、使用條件、用戶需求及產品目標等制訂循環方式和總的循環次數。

值得指出的是，上述試驗的基礎大都偏向于強度試驗而不是壽命試驗，都是為了保證在最差的工況條件下車輛不發生損壞，且能滿足一般的工程要求。顯然，這些試驗基本上是依據習慣或經驗，而沒有合理地考慮用戶的使用情況，主要是靠推測而不是基于科學的工程原理。依據這些試驗標準的可靠性強化試驗結果與用戶使用情況相差太大，且多以強度試驗為主，生產成本高、零部件的后備系數大、資源浪費、缺乏科學依據，有些試驗結果與用戶的失效模式差別較大。這些經驗式試驗方法在當時的條件下促進了汽車工業的發展，但現在已經不能滿足汽車工業的需要。

現行的汽車可靠性試驗規范試驗中所暴露出來的故障，在用戶可靠性試驗中卻很多都沒有發生，并且由于對該汽車試驗場路面相對于目標用戶的強化情況沒有做過研究，因此對強化試驗結果也不能給出科學的產品可靠性指標，這種情況給產品開發帶來很大的困擾，所以迫切需要研究制訂符合用戶使用條件的可靠性強化試驗規范及汽車試驗場強化路面相對于目標用戶使用的強化工況。汽車測試儀器和道路載荷數據采集的發展，使得測量“用戶實際是如何使用的”并作為試驗規范的制訂基礎成為可能。通過用戶調查確定用戶實際使用工況保證用戶的B₁₀壽命，在整車上安裝傳感器，測量用戶使用工況和試驗場試驗工況的汽車輸入和響應，按照疲勞損傷原理制訂試驗規范。試驗場試驗與用戶使用情況的整車輸入和主要響應在幅值分布上相同，保證了試驗場試驗時的整車載荷狀態與用戶使用時相同，能避免由于材料不同導致的不同零部件的壽命在試驗條件下與用戶條件下的差異。汽車是弱非線性系統，因此保證了主要的輸入和響應的正確性，其載荷也是確定的，還可以滿足部分非疲勞失效模式。

在汽車的各種試驗中，汽車的可靠性試驗是最重要的，對于汽車廠家來說，可靠性試驗執行的依據是試驗規范。美國通用汽車公司在20世紀80年代專門設置一個部門來研究用戶關聯可靠性和汽車試驗場路面加速系數，由于路面條件的不斷變化及車型的更新，該部門根據其研究結果，不斷改造試驗場路面及改進可靠性試驗規范，對用戶關聯性可靠性的研究積累了一定經驗。到目前為止，我國已經制定了一部分整車、總成及零部件在汽車試驗場的強化試驗規范，但尚無能反映用戶使用工況的試驗規范。因此研究接近用戶使用條件的汽車試驗場可靠性試驗方法是我國目前亟需解決的課題。