第1章 汽車可靠性試驗(yàn)與虛擬樣機(jī)技術(shù)

1.1 汽車可靠性試驗(yàn)研究概述

汽車產(chǎn)品的可靠性是用戶最為關(guān)心的質(zhì)量問(wèn)題之一，其故障的發(fā)生率給用戶帶來(lái)了不同程度的損失，因此汽車的可靠性問(wèn)題已備受關(guān)注。與先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)汽車可靠性的研究起步較晚。

國(guó)外對(duì)汽車可靠性的研究起步較早，早在20世紀(jì)60年代，隨著空間科學(xué)和宇航技術(shù)的發(fā)展，對(duì)可靠性的研究已經(jīng)由電子、航空航天、核能等尖端工業(yè)部門擴(kuò)展到了電機(jī)及電力系統(tǒng)、機(jī)械、動(dòng)力、土木等一般工業(yè)部門。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品，尤其是大批量生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品的可靠性研究也已成為重要的研究領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)，福特汽車公司就投資幾百萬(wàn)美元建立了汽車可靠性研究所作為可靠性試驗(yàn)中心，該中心以底盤系統(tǒng)的試驗(yàn)為主，裝備有100臺(tái)以上的試驗(yàn)設(shè)備模擬道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用自動(dòng)控制器進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，以測(cè)定產(chǎn)品的可靠性。在20世紀(jì)70～80年代，在肯尼迪消費(fèi)者保護(hù)政策的支持下，美國(guó)對(duì)汽車產(chǎn)品提出了大量的產(chǎn)品責(zé)任問(wèn)題。產(chǎn)品責(zé)任問(wèn)題使得汽車制造企業(yè)高度重視產(chǎn)品責(zé)任預(yù)防工作，而可靠性技術(shù)正是解決這一問(wèn)題的重要手段。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，研究人員在汽車零部件的疲勞可靠性方面進(jìn)行了較深入有效的研究：R. L. Rider介紹了利用疲勞可靠性理論結(jié)合零部件的材料特性、幾何形狀和載荷形式進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)的方法；Hair N. Agrawal應(yīng)用ADAMS軟件，從疲勞壽命預(yù)測(cè)的角度分析了汽車車身結(jié)構(gòu)的耐久性。

可靠性設(shè)計(jì)、可靠性增長(zhǎng)、可靠性評(píng)價(jià)、可靠性管理、失效模式與后果分析（FMECA）等，都在美國(guó)和歐洲的汽車行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。John Hollenbeck以汽車電子控制模塊在汽車上的應(yīng)用為例，討論了FMECA技術(shù)在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的準(zhǔn)備與實(shí)施方法；H. J. Bajaria提出以可靠性、維修性、安全性和人因可靠性為設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足消費(fèi)者和政府對(duì)汽車產(chǎn)品日益嚴(yán)格要求的有效途徑；W. Hanes利用Duane的可靠性增長(zhǎng)模型，分析了汽車產(chǎn)品研發(fā)期間的可靠性增長(zhǎng)規(guī)律。正因?yàn)楦髌嚿a(chǎn)廠家對(duì)汽車可靠性的高度重視，汽車產(chǎn)品的可靠性水平在這一階段也取得了很大的發(fā)展。比如美國(guó)的通用、克萊斯勒，德國(guó)的大眾及日本豐田的汽車保用期從3個(gè)月或6000km提高到12個(gè)月或2萬(wàn)km。目前，國(guó)外的先進(jìn)汽車企業(yè)越來(lái)越重視汽車可靠性問(wèn)題，并建立了從設(shè)計(jì)到使用服務(wù)的一整套可靠性管理體系，千方百計(jì)地提高汽車的可靠性，汽車可靠性已經(jīng)成為其產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝的最主要因素。

我國(guó)汽車工業(yè)可靠性研究工作相對(duì)而言發(fā)展緩慢，真正對(duì)汽車產(chǎn)品進(jìn)行可靠性研究是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的。1983年6月，中國(guó)第一汽車制造廠首次舉辦了汽車可靠性理論學(xué)習(xí)班，接著在1983年11月中國(guó)汽車工業(yè)總公司又舉辦了汽車可靠性基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)班。1983年8月在天津召開(kāi)了汽車可靠性工作會(huì)議，會(huì)議決定開(kāi)展汽車可靠性理論的課題研究，并且正式頒布了汽車可靠性試驗(yàn)方法、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久性試驗(yàn)方法等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。從1983年到1984年，汽車行業(yè)組織了規(guī)模空前的汽車可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛數(shù)為53輛，試驗(yàn)總里程為36萬(wàn)km。1986年10月召開(kāi)了汽車可靠性專業(yè)委員會(huì)第二屆年會(huì)，會(huì)議決定組織人力、物力對(duì)汽車可靠性進(jìn)行深入研究，爭(zhēng)取盡快地使汽車可靠性水平有較大的提高。同時(shí)擬出了研究?jī)?nèi)容：汽車故障樹(shù)、汽車可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系、汽車可靠性設(shè)計(jì)、汽車可靠性增長(zhǎng)等。目前，國(guó)產(chǎn)載貨汽車的平均故障間隔里程（MTBF）約2000～3000km，而國(guó)外汽車的MTBF為1萬(wàn)～1.5萬(wàn)km，大型客車差距更大。全國(guó)56種車型108輛樣車的統(tǒng)檢結(jié)果顯示，平均首次故障里程只有1790.40km，平均故障間隔里程只有1534.09km，累計(jì)故障超過(guò)100個(gè)的有發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系和電氣系統(tǒng)。而國(guó)外客車首次故障里程大都在1.5萬(wàn)～2萬(wàn)km，平均故障間隔里程在1萬(wàn)～1.7萬(wàn)km。隨著我國(guó)實(shí)施《汽車產(chǎn)品召回管理規(guī)定（草案）》，各廠家對(duì)汽車可靠性越來(lái)越重視，國(guó)家也對(duì)各大汽車廠家給予了相應(yīng)的指導(dǎo)。2002年初，國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)生產(chǎn)政策司下發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展汽車產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)管理改革研究》文件，要求各大汽車公司建立本企業(yè)的可靠性保證體系，特別要對(duì)汽車可靠性試驗(yàn)進(jìn)行研究，進(jìn)而制訂可靠性試驗(yàn)規(guī)范。

隨著我國(guó)汽車工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展和消費(fèi)者權(quán)益保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，汽車性能及零部件的可靠性得到業(yè)界的廣泛重視，并為此開(kāi)展了深入研究。為了全面提高汽車產(chǎn)品的性能及可靠性水平，在汽車產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，不僅要了解汽車系統(tǒng)及其零部件的疲勞失效情況，取得其可靠性資料與數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行大量的汽車可靠性試驗(yàn)。科學(xué)分析可靠性試驗(yàn)結(jié)果，能為車輛的設(shè)計(jì)與研究工作提供可靠、準(zhǔn)確且有效的資料數(shù)據(jù)。通過(guò)汽車的可靠性試驗(yàn)研究，分析疲勞失效的原因，制定并采取相關(guān)的措施，以達(dá)到提高技術(shù)水平與車輛質(zhì)量的目的。

汽車可靠性試驗(yàn)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜、多元的大系統(tǒng)，影響因素眾多。隨著汽車保有量劇增，可靠性試驗(yàn)方法的研究已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。為了提高汽車產(chǎn)品的可靠性水平，了解總成、零部件的失效情況，獲得其可靠性數(shù)據(jù)、資料，必須進(jìn)行大量的零部件、總成及整車的可靠性試驗(yàn)。按照一定的試驗(yàn)方法進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析，從而為汽車產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確有效的可靠性數(shù)據(jù)資料。通過(guò)可靠性試驗(yàn)對(duì)失效樣品進(jìn)行分析，找出其失效的原因和薄弱環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的對(duì)策、措施，以達(dá)到提高汽車產(chǎn)品的可靠性目的。本書(shū)的研究成果將具有重要的學(xué)術(shù)意義及應(yīng)用前景，主要體現(xiàn)在以下十個(gè)方面：

1）應(yīng)用ADAMS軟件建立完整的懸架系統(tǒng)模型，對(duì)懸架特性參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化結(jié)果應(yīng)能從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)改善懸架系統(tǒng)性能，從而提高操縱穩(wěn)定性與行駛平順性。

2）利用Matlab/Simulink模塊建立橫擺角速度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)阻尼控制模型，通過(guò)控制懸架阻尼來(lái)抑制汽車過(guò)度轉(zhuǎn)向行為，改善操縱穩(wěn)定性。

3）利用ADAMS模板化建模方法建立整車模型，并對(duì)操縱穩(wěn)定性和平順性進(jìn)行仿真分析，將仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型正確性，為深入研究整車性能奠定基礎(chǔ)。

4）對(duì)比分析試驗(yàn)場(chǎng)耐久路、高速公路、城市路面以及一般公路試驗(yàn)車輛和對(duì)標(biāo)車輛的疲勞損傷特性，為試驗(yàn)車輛質(zhì)量改進(jìn)提供有效數(shù)據(jù)。

5）應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法準(zhǔn)確測(cè)定可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使施加于車輛的載荷更接近各種典型路面的實(shí)際工況。

6）根據(jù)疲勞累積損傷相等原理建立用戶典型路面和試驗(yàn)場(chǎng)耐久路的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，采集用戶典型路面和試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，優(yōu)化計(jì)算可靠性試驗(yàn)工況與方法，為汽車可靠性試驗(yàn)方法的實(shí)際應(yīng)用提供方案和具體的實(shí)施流程。

7）提出數(shù)字化試驗(yàn)場(chǎng)三維可靠性試驗(yàn)路面的構(gòu)建方法，建立典型的數(shù)字化試驗(yàn)場(chǎng)可靠性數(shù)字路面。

8）通過(guò)虛擬用戶和試驗(yàn)場(chǎng)載荷時(shí)間歷程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為各級(jí)幅值的載荷循環(huán)的等載荷譜試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)場(chǎng)可靠性相關(guān)試驗(yàn)方法的可行性。

9）針對(duì)傳統(tǒng)的汽車試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)存在的問(wèn)題，提出了一種汽車可靠性試驗(yàn)新方法，該方法從試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)與可靠性仿真試驗(yàn)不同的優(yōu)良性出發(fā)，結(jié)合可靠性仿真試驗(yàn)與試驗(yàn)場(chǎng)可靠性相關(guān)試驗(yàn)方法，建立試驗(yàn)場(chǎng)與可靠性仿真試驗(yàn)相結(jié)合數(shù)學(xué)模型。

10）通過(guò)山區(qū)典型公路和90%用戶累積能量的相關(guān)性計(jì)算，獲得山區(qū)公路的強(qiáng)化系數(shù)和可靠性試驗(yàn)方法。