基于浴盆曲線的整車耐久試驗(yàn)故障曲線

陳偉波，范 韜，葉 欣，劉文彬，袁 涌

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 試驗(yàn)認(rèn)證部,上海 200120)

整車耐久試驗(yàn)是一種模擬客戶使用的整車級(jí)加速試驗(yàn)，是代表客戶評(píng)價(jià)整車可靠性的重要方法，同時(shí)也是考核和評(píng)價(jià)汽車質(zhì)量的最終技術(shù)措施和手段，是整車設(shè)計(jì)認(rèn)證的最后一道關(guān)口[1-3]。整車的可靠性需要科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)來指導(dǎo)與評(píng)價(jià)耐久試驗(yàn)的結(jié)果。目前關(guān)于整車耐久試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法有很多，比如通過概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法將故障數(shù)據(jù)(如里程信息)作為隨機(jī)變量進(jìn)行分布函數(shù)擬合和優(yōu)化，尋出最優(yōu)的分布函數(shù)[4]，這種方法可以較好地評(píng)估產(chǎn)品的可靠性水平?；蚧谀撤N模型，對(duì)耐久試驗(yàn)的總故障數(shù)進(jìn)行預(yù)測[5]，這種方法更多是關(guān)注累積統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而來評(píng)估項(xiàng)目質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。但是實(shí)際應(yīng)用中，故障數(shù)據(jù)有時(shí)是隨機(jī)的，可能不服從某種分布或置信度較低。而且如果只針對(duì)故障總數(shù)有要求，不對(duì)每段時(shí)刻的故障數(shù)設(shè)置指標(biāo)，會(huì)提高監(jiān)控的風(fēng)險(xiǎn)性。

為此，筆者基于浴盆曲線理論，結(jié)合整車耐久試驗(yàn)?zāi)M客戶使用的前期質(zhì)量和長期可靠性，利用盒須圖方法處理大量實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)試驗(yàn)里程建立一種新的整車耐久試驗(yàn)故障分布指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。

1 浴盆曲線理論

整車質(zhì)量中的前期質(zhì)量，或者說客戶對(duì)于新車的感知質(zhì)量，越來越得到市場的重視，是在客戶駕駛或乘坐車輛的過程中，通過看、聽、聞、觸等主觀感受，所獲得的車輛在外觀、內(nèi)裝、便利空間、整車性能等方面的直接評(píng)價(jià)[6]。JD.Power公司針對(duì)感知質(zhì)量有很多調(diào)查方法，其中IQS(initial quality survey)新車質(zhì)量調(diào)查，是一種比較重要的方法，其調(diào)查了客戶在2～6個(gè)月的客戶新車使用的抱怨度。2018年JD.Power公司發(fā)布了主流車的IQS數(shù)據(jù)，如圖1所示，PP100為每百輛車問題數(shù)，分?jǐn)?shù)越低，表明問題越少，質(zhì)量越好。目前主流車企已經(jīng)越來越重視新車質(zhì)量，基本都高于市場平均水平。

圖1 2018年主流車IQS數(shù)據(jù)(JD.Power)

圖2 客戶使用故障分布曲線

傳統(tǒng)上，整車耐久道路試驗(yàn)更加注重中后期質(zhì)量，考察各零件在長期載荷積累的情況下是否能夠不發(fā)生失效，但現(xiàn)在車輛的前期質(zhì)量越來越被消費(fèi)者看重?？蛻羰褂霉收戏植记€如圖2所示，可知體現(xiàn)整車耐久試驗(yàn)的指標(biāo)需要將車輛的客戶前期質(zhì)量評(píng)價(jià)與長期可靠性結(jié)合起來，對(duì)耐久試驗(yàn)的全過程進(jìn)行監(jiān)控。其中，故障曲線A表示初始性能或功能不滿足客戶期望；故障曲線B表示制造或安裝問題；故障曲線C表示設(shè)計(jì)不滿足強(qiáng)度(環(huán)境/使用)要求；TOTAL表示總體故障問題。整車耐久試驗(yàn)?zāi)M了客戶的整個(gè)生命周期的考核要求，對(duì)于故障曲線A、B、C都應(yīng)該涵蓋，故障數(shù)總體應(yīng)該呈現(xiàn)：在客戶使用初期主要感知質(zhì)量和制造安裝問題，在使用中后期主要關(guān)注耐久性的強(qiáng)度問題。這個(gè)故障發(fā)生的區(qū)域，總體曲線滿足浴盆曲線理論。

浴盆曲線如圖3所示。故障隨使用時(shí)間變化分為初始故障期、偶發(fā)故障期和耗損故障期3個(gè)階段[7]。對(duì)于整車耐久試驗(yàn)來說，在試驗(yàn)初期，由于各種制造安裝問題和客戶感知質(zhì)量問題，故障數(shù)開始較高，隨后迅速降低；在試驗(yàn)中期，故障數(shù)因?yàn)殡S機(jī)故障而進(jìn)入穩(wěn)定期；在試驗(yàn)后期，零件在載荷的累積下不斷失效，整車故障數(shù)不斷升高。

圖3 浴盆曲線圖

2 耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了得到歷史故障數(shù)據(jù)的分布曲線，需要對(duì)試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)的故障里程進(jìn)行分析。由于整車耐久試驗(yàn)過程中，車輛發(fā)生失效后是可修復(fù)的。對(duì)于可修復(fù)系統(tǒng)，由于在發(fā)生故障后仍可繼續(xù)使用，所以實(shí)際上人們最感興趣的是無故障工作時(shí)間的平均值，常用MTBF(平均故障間隔時(shí)間)來表征，指產(chǎn)品或系統(tǒng)在兩相鄰故障間隔期內(nèi)正確工作的平均時(shí)間，是標(biāo)志產(chǎn)品或系統(tǒng)能平均工作多長時(shí)間的量[8]，其計(jì)算式為：

為了表示浴盆曲線中每一階段的故障數(shù)，需要知道每一階段的MTBF，設(shè)將總時(shí)間為T的整車耐久試驗(yàn)分割為n份，在每一份的MTBFi的表達(dá)式為：

其中，i=0,1,…,n-1。

根據(jù)故障數(shù)的計(jì)算式，將歷史故障數(shù)據(jù)按照10%的故障數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按照不同的項(xiàng)目更改類型和車輛造車階段進(jìn)行分類，得到的故障率分布曲線如圖4所示。

圖4 故障率分布曲線

項(xiàng)目更改1～項(xiàng)目更改4按照項(xiàng)目改款大小依次是由大到小，造車階段1～造車階段4按照接近量產(chǎn)車狀態(tài)依次是由遠(yuǎn)到近。由圖4可知，不論是按照項(xiàng)目更改統(tǒng)計(jì)，還是按照造車階段統(tǒng)計(jì)，故障數(shù)按照試驗(yàn)進(jìn)度的走勢基本與浴盆曲線的走勢一致，并且按照項(xiàng)目更改和造車階段，故障數(shù)在各個(gè)試驗(yàn)進(jìn)度下逐漸降低。

3 整車耐久試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

從上述分析可得到實(shí)車的故障分布曲線，但是如何根據(jù)實(shí)車數(shù)據(jù)的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來衡量實(shí)際曲線的表現(xiàn)。

傳統(tǒng)的計(jì)算方法需要知道歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布情況，如是否符合正態(tài)分布或韋布爾分布，但是在處理實(shí)際數(shù)據(jù)的過程中，并不是每一個(gè)檢查時(shí)刻點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)都服從某種分布，或者不是所有數(shù)據(jù)都服從同一種分布，例如圖5所示的SOT(0%)試驗(yàn)故障樣本分布，可知0%的SOT檢查的樣本數(shù)據(jù)，通常是用某種分布曲線去擬合數(shù)據(jù)，然后取一定百分比的上下限。但該數(shù)據(jù)分布較為分散，每10%的數(shù)據(jù)分布可能完全不同，所以如何剔除異常值，確定這些數(shù)據(jù)的上限與下限，需要更加穩(wěn)健的方法。

圖5 SOT(0%)試驗(yàn)故障樣本分布

3.1 盒須圖理論

引入穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)學(xué)的盒須圖理論，可以真實(shí)客觀地表現(xiàn)數(shù)據(jù)形狀的本來面貌。盒須圖的繪制依靠實(shí)際數(shù)據(jù)，不需要事先假定數(shù)據(jù)服從特定的分布形式，沒有對(duì)數(shù)據(jù)作任何限制性要求，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)來識(shí)別背景總體和異?？傮w，提供數(shù)據(jù)變化范圍和極端值的信息[9-10]。

盒須圖引入了一個(gè)簡單明了的圖示技術(shù)，是一種表現(xiàn)最小和最大觀測值以及第1、第2、第3個(gè)四分位數(shù)的圖形方法。在盒須圖上，可以表現(xiàn)第1個(gè)四分位數(shù)(Q1)、中位數(shù)(Q2)、第3個(gè)四分位數(shù)(Q3)以及四分位數(shù)間距(IQR=Q3-Q1)[11]。Q3+1.5 倍IQR和Q1-1.5倍IQR分別為上下限；處于上下限以外位置的點(diǎn)表示的數(shù)據(jù)均為異常值。盒須圖關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法如表1所示。

將盒須圖理論應(yīng)用在SOT故障分析上，以圖5的樣本為例，得出中位數(shù)是9，上四分位是15，下四分位是4，因此IQR=9。按照表1中上下限計(jì)算公式，上、下限分別為min(31.5，35)和max(-12.5，1)，考慮實(shí)際情況并取整得上限為31，下限為1。故原始樣本中的35確定為異常值，需要剔除。盒須圖取值方法如圖6所示，可知參考上限定為31，參考下限定為1，說明大多數(shù)歷史數(shù)據(jù)都分布在1到31之間。

表1 盒須圖關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法

圖6 盒須圖取值方法圖示

3.2 參考線確定方法

首先搜集所有故障數(shù)據(jù)，提取故障進(jìn)度信息，然后按照項(xiàng)目更改1～項(xiàng)目更改4和車輛階段1～車輛階段4進(jìn)行分類，可分為16類，統(tǒng)計(jì)出所有項(xiàng)目故障在各個(gè)百分比的故障分布圖，如圖7(a)所示。對(duì)于每一類進(jìn)行10%間隔統(tǒng)計(jì)，得出每10%的故障分段統(tǒng)計(jì)圖,如圖7(b)所示?；诤许殘D理論分段做出盒須圖，連接每個(gè)階段的上限點(diǎn)與下限點(diǎn)，最后圓整數(shù)據(jù)，得出每一類的上限參考指標(biāo)和下限參考指標(biāo)，某分類車輛各階段問題數(shù)盒須圖如圖8所示。每一條上下參考指標(biāo)區(qū)域代表的是歷史數(shù)據(jù)中依據(jù)盒須圖理論剔除掉異常值的絕大多數(shù)數(shù)據(jù)的分布區(qū)域。

圖7 各階段故障分布

圖8 某分類車輛各階段問題數(shù)盒須圖

圖9 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 針對(duì)故障分布曲線的評(píng)價(jià)方法

結(jié)合某項(xiàng)目浴盆曲線故障數(shù)統(tǒng)計(jì)，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖9所示，車輛A在60%的耐久試驗(yàn)過程中，整體曲線都在上下限之間，且沒有較大的突變(突然變大或者突然變小)，該車的故障數(shù)走勢與參考線一致，說明該車不論在初始質(zhì)量的檢查上，還是在后面各個(gè)階段的檢查都滿足了要求。車輛B在0%處的初始檢查低于下限，說明該值比歷史數(shù)據(jù)的下限還低，提示需要進(jìn)一步檢查，而如果忽略該值，后續(xù)10%的檢查位置很大概率上會(huì)突升；在40%點(diǎn)上，相對(duì)于30%節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)有明顯的突升，此時(shí)，需要對(duì)每一個(gè)問題進(jìn)行分析，看是否有提前發(fā)現(xiàn)的可能性，降低在試驗(yàn)中后期發(fā)現(xiàn)SOT問題的概率。

綜上，可得出利用該故障分布曲線的策略：①在耐久試驗(yàn)早期，加強(qiáng)基于客戶使用的各種場景類的SOT檢查，讓早期失效提前暴露，滿足浴盆曲線第一階段的趨勢；②在耐久試驗(yàn)中后期，若某10%階段的問題數(shù)量“突降”，此時(shí)提示檢查人員應(yīng)該著重檢查車輛，否則應(yīng)該在此階段發(fā)現(xiàn)的試驗(yàn)故障會(huì)延后堆積；③在耐久試驗(yàn)中后期，若某10%階段的問題數(shù)量“突升”，則對(duì)每一個(gè)問題發(fā)生的條件進(jìn)行分析，是否有提前發(fā)現(xiàn)的可能性?？傊?，應(yīng)使得故障分布曲線按照參考曲線的趨勢暴露，盡量讓故障數(shù)平穩(wěn)出現(xiàn)，避免故障數(shù)突變。

4 結(jié)論

筆者基于浴盆曲線的理論，將盒須圖與整車耐久道路試驗(yàn)評(píng)價(jià)相結(jié)合，總結(jié)出基于浴盆曲線的整車耐久試驗(yàn)故障曲線評(píng)價(jià)方法，可以有效地應(yīng)用于整車道路試驗(yàn)和整車開發(fā)工作中，同時(shí)也可以應(yīng)用于產(chǎn)品前期、中期和長期的可靠性評(píng)價(jià)。

(1)根據(jù)穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)學(xué)的盒須圖理論和歷史數(shù)據(jù)，確定了各階段整車路試可靠性評(píng)價(jià)故障數(shù)的上下限，低于故障數(shù)下限時(shí)，則需加大試驗(yàn)評(píng)估頻次和強(qiáng)度，高于故障數(shù)上限時(shí)，則需分析故障較多的原因，評(píng)估項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

(2)利用該曲線可以描述整個(gè)生命周期故障分布情況，且可以參照參考曲線，結(jié)合故障原因，分析整車制造能力、零部件認(rèn)證能力、零部件工藝生產(chǎn)等。

(3)通過不斷的數(shù)據(jù)積累，總結(jié)整車開發(fā)項(xiàng)目質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于后續(xù)不同階段、項(xiàng)目、車型等工程開發(fā)工作，以便對(duì)其進(jìn)行有效的質(zhì)量管控和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。