第1章 汽車可靠性試驗與虛擬樣機技術

1.1 汽車可靠性試驗研究概述

汽車產(chǎn)品的可靠性是用戶最為關心的質(zhì)量問題之一，其故障的發(fā)生率給用戶帶來了不同程度的損失，因此汽車的可靠性問題已備受關注。與先進國家相比，我國對汽車可靠性的研究起步較晚。

國外對汽車可靠性的研究起步較早，早在20世紀60年代，隨著空間科學和宇航技術的發(fā)展，對可靠性的研究已經(jīng)由電子、航空航天、核能等尖端工業(yè)部門擴展到了電機及電力系統(tǒng)、機械、動力、土木等一般工業(yè)部門。對機械產(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域。當時，福特汽車公司就投資幾百萬美元建立了汽車可靠性研究所作為可靠性試驗中心，該中心以底盤系統(tǒng)的試驗為主，裝備有100臺以上的試驗設備模擬道路試驗數(shù)據(jù)，利用自動控制器進行加速壽命試驗，以測定產(chǎn)品的可靠性。在20世紀70～80年代，在肯尼迪消費者保護政策的支持下，美國對汽車產(chǎn)品提出了大量的產(chǎn)品責任問題。產(chǎn)品責任問題使得汽車制造企業(yè)高度重視產(chǎn)品責任預防工作，而可靠性技術正是解決這一問題的重要手段。進入20世紀90年代后，研究人員在汽車零部件的疲勞可靠性方面進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行零部件設計的方法；Hair N. Agrawal應用ADAMS軟件，從疲勞壽命預測的角度分析了汽車車身結(jié)構的耐久性。

可靠性設計、可靠性增長、可靠性評價、可靠性管理、失效模式與后果分析（FMECA）等，都在美國和歐洲的汽車行業(yè)內(nèi)得到廣泛應用。John Hollenbeck以汽車電子控制模塊在汽車上的應用為例，討論了FMECA技術在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的準備與實施方法；H. J. Bajaria提出以可靠性、維修性、安全性和人因可靠性為設計目標是滿足消費者和政府對汽車產(chǎn)品日益嚴格要求的有效途徑；W. Hanes利用Duane的可靠性增長模型，分析了汽車產(chǎn)品研發(fā)期間的可靠性增長規(guī)律。正因為各汽車生產(chǎn)廠家對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。比如美國的通用、克萊斯勒，德國的大眾及日本豐田的汽車保用期從3個月或6000km提高到12個月或2萬km。目前，國外的先進汽車企業(yè)越來越重視汽車可靠性問題，并建立了從設計到使用服務的一整套可靠性管理體系，千方百計地提高汽車的可靠性，汽車可靠性已經(jīng)成為其產(chǎn)品在市場競爭中取勝的最主要因素。

我國汽車工業(yè)可靠性研究工作相對而言發(fā)展緩慢，真正對汽車產(chǎn)品進行可靠性研究是從20世紀80年代開始的。1983年6月，中國第一汽車制造廠首次舉辦了汽車可靠性理論學習班，接著在1983年11月中國汽車工業(yè)總公司又舉辦了汽車可靠性基礎知識的學習班。1983年8月在天津召開了汽車可靠性工作會議，會議決定開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方法、汽車發(fā)動機臺架耐久性試驗方法等國家標準。從1983年到1984年，汽車行業(yè)組織了規(guī)?？涨暗钠嚳煽啃栽囼?，試驗車輛數(shù)為53輛，試驗總里程為36萬km。1986年10月召開了汽車可靠性專業(yè)委員會第二屆年會，會議決定組織人力、物力對汽車可靠性進行深入研究，爭取盡快地使汽車可靠性水平有較大的提高。同時擬出了研究內(nèi)容：汽車故障樹、汽車可靠性標準體系、汽車可靠性設計、汽車可靠性增長等。目前，國產(chǎn)載貨汽車的平均故障間隔里程（MTBF）約2000～3000km，而國外汽車的MTBF為1萬～1.5萬km，大型客車差距更大。全國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，累計故障超過100個的有發(fā)動機、傳動系和電氣系統(tǒng)。而國外客車首次故障里程大都在1.5萬～2萬km，平均故障間隔里程在1萬～1.7萬km。隨著我國實施《汽車產(chǎn)品召回管理規(guī)定（草案）》，各廠家對汽車可靠性越來越重視，國家也對各大汽車廠家給予了相應的指導。2002年初，國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會生產(chǎn)政策司下發(fā)了《關于開展汽車產(chǎn)品可靠性試驗管理改革研究》文件，要求各大汽車公司建立本企業(yè)的可靠性保證體系，特別要對汽車可靠性試驗進行研究，進而制訂可靠性試驗規(guī)范。

隨著我國汽車工業(yè)技術的高速發(fā)展和消費者權益保護意識的增強，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)，還要進行大量的汽車可靠性試驗。科學分析可靠性試驗結(jié)果，能為車輛的設計與研究工作提供可靠、準確且有效的資料數(shù)據(jù)。通過汽車的可靠性試驗研究，分析疲勞失效的原因，制定并采取相關的措施，以達到提高技術水平與車輛質(zhì)量的目的。

汽車可靠性試驗環(huán)境是一個復雜、多元的大系統(tǒng)，影響因素眾多。隨著汽車保有量劇增，可靠性試驗方法的研究已成為國內(nèi)外研究的熱點。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，必須進行大量的零部件、總成及整車的可靠性試驗。按照一定的試驗方法進行可靠性試驗，對試驗結(jié)果進行科學的分析，從而為汽車產(chǎn)品的研究、設計提供準確有效的可靠性數(shù)據(jù)資料。通過可靠性試驗對失效樣品進行分析，找出其失效的原因和薄弱環(huán)節(jié)，采取相應的對策、措施，以達到提高汽車產(chǎn)品的可靠性目的。本書的研究成果將具有重要的學術意義及應用前景，主要體現(xiàn)在以下十個方面：

1）應用ADAMS軟件建立完整的懸架系統(tǒng)模型，對懸架特性參數(shù)進行優(yōu)化計算。優(yōu)化結(jié)果應能從實際應用角度出發(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)絡阻尼控制模型，通過控制懸架阻尼來抑制汽車過度轉(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，并對操縱穩(wěn)定性和平順性進行仿真分析，將仿真與試驗結(jié)果進行對比，以驗證模型正確性，為深入研究整車性能奠定基礎。

4）對比分析試驗場耐久路、高速公路、城市路面以及一般公路試驗車輛和對標車輛的疲勞損傷特性，為試驗車輛質(zhì)量改進提供有效數(shù)據(jù)。

5）應用雨流計數(shù)法準確測定可靠性試驗數(shù)據(jù)，使施加于車輛的載荷更接近各種典型路面的實際工況。

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場耐久路的相關數(shù)學模型，采集用戶典型路面和試驗場數(shù)據(jù)，優(yōu)化計算可靠性試驗工況與方法，為汽車可靠性試驗方法的實際應用提供方案和具體的實施流程。

7）提出數(shù)字化試驗場三維可靠性試驗路面的構建方法，建立典型的數(shù)字化試驗場可靠性數(shù)字路面。

8）通過虛擬用戶和試驗場載荷時間歷程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為各級幅值的載荷循環(huán)的等載荷譜試驗，驗證試驗場可靠性相關試驗方法的可行性。

9）針對傳統(tǒng)的汽車試驗場可靠性試驗存在的問題，提出了一種汽車可靠性試驗新方法，該方法從試驗場試驗與可靠性仿真試驗不同的優(yōu)良性出發(fā)，結(jié)合可靠性仿真試驗與試驗場可靠性相關試驗方法，建立試驗場與可靠性仿真試驗相結(jié)合數(shù)學模型。

10）通過山區(qū)典型公路和90%用戶累積能量的相關性計算，獲得山區(qū)公路的強化系數(shù)和可靠性試驗方法。