汽車可靠性分析概述

班兵 蘆凡 王軍

摘 要：汽車可靠性涉及汽車設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造、運(yùn)輸、貯存、使用及車輛維護(hù)等內(nèi)容，是汽車產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)之一。汽車可靠性分析在可靠性研究中扮演著重要角色^[1]，在此基礎(chǔ)上，文章首先梳理了國內(nèi)外汽車的可靠性發(fā)展歷程;其次，對(duì)不同的可靠性分析方法進(jìn)行了介紹;然后，對(duì)汽車可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明;最后，文章對(duì)我國汽車可靠性現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與展望。關(guān)鍵字：汽車可靠性;發(fā)展;分析;提升

中圖分類號(hào)：U461.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-71-03

Automotive Reliability Analysis Overview

Ban Bing， Lu Fan， Wang Jun

（?Shaanxi Heavy Vehicle Co.， Ltd.， Shaanxi Xi'an 710043?）

Abstract：Automobile reliability through the design， test， manufacture， transportation， storage， use and maintenance of automobile products， and it is an important index to evaluate the quality of automobile products. Automobile reliability analysis plays a very important role in reliability research. This paper firstly reviews the development of automobile reliability. Secondly， different reliability analysis methods are introduced. Then， the reliability design of the vehicle is briefly described. Finally， the paper summarizes and looks forward to the present situation of automobile reliability in China.

Keywords： Automobile reliability; Development; Analysis; Improve

CLC NO.：U461.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）04-71-03

前言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、國民生活水平顯著提高，對(duì)高可靠性、高效率、快速安全的車型需求大幅增長(zhǎng)。在控制整車成本的基礎(chǔ)上，提高產(chǎn)品的可靠性是產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提升的重要手段之一。

1 汽車可靠性發(fā)展里程

1.1?國外

歐美國家在汽車可靠性的研究方面始終處于行業(yè)前列，美國GM（通用）公司率先在整車設(shè)計(jì)中提出加入可靠性指標(biāo)的概念，旨在于提升產(chǎn)品可靠性，并于1924年修建的整車試驗(yàn)場(chǎng)中完成了乘用車的成批綜合試驗(yàn);1964年，美國約翰迪爾公司建立了整車可靠性研究部并提出有關(guān)產(chǎn)品可靠性的具體評(píng)價(jià)指標(biāo)，并且在控制發(fā)動(dòng)機(jī)零件的可靠性時(shí)，采用了500h、1000h、1500h等不同級(jí)別的積累故障率;1996年，福特公司建立了可靠性試驗(yàn)中心并進(jìn)行了大規(guī)模的汽車可靠性試驗(yàn)。

上世紀(jì)五十年代，日本相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開始致力于汽車可靠性的研究，通過從美國不斷引進(jìn)可靠性技術(shù)并結(jié)合本國汽車行業(yè)現(xiàn)狀，逐漸形成新的質(zhì)量管理系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上日本專門設(shè)立了可靠性及質(zhì)量控制小組，并發(fā)布了全面質(zhì)量管理方法。六十年代末期，美國對(duì)從日本進(jìn)口的汽車采取了退貨處理，造成了惡劣影響^[2]，日本汽車行業(yè)因此愈發(fā)重視汽車的可靠性?；谕素浭录斐傻膼毫佑绊?，日本相關(guān)科研機(jī)構(gòu)與可靠性委員會(huì)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，以保障汽車可靠性為目標(biāo)出發(fā)成立了汽車安全對(duì)策協(xié)議會(huì)，在以往質(zhì)量管理措施基礎(chǔ)上，利用新方法開展產(chǎn)品可靠性研究。

1.2?國內(nèi)

上世紀(jì)六十年代中期，我國在通訊、航空、核能等領(lǐng)域內(nèi)率先展開可靠性工程的研究與運(yùn)用，1982年，伴隨著中國工程學(xué)會(huì)成立了機(jī)械可靠性學(xué)組，我國汽車行業(yè)也逐漸邁進(jìn)可靠性研究行列中。1972年7月至1973年12月，在此期間，國內(nèi)多家汽車制造廠商的產(chǎn)品在長(zhǎng)春汽車研究所海南試驗(yàn)站進(jìn)行了質(zhì)量檢查考核;1983年至1984年，汽車行業(yè)迎來新的變革，多家科研機(jī)構(gòu)和汽車生產(chǎn)廠商進(jìn)行了大規(guī)模的汽車可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，并基于此初步了解了國產(chǎn)汽車的可靠性狀況;1984年可靠性專業(yè)委員會(huì)成立，屬于中國汽車工程學(xué)會(huì)的下屬組織，該組織在進(jìn)行可靠性理論研究的同時(shí)也積極開展學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，1997年又頒布了《汽車整車產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定方法》^[3];21世紀(jì)國家提出新的戰(zhàn)略目標(biāo)，旨在于將我國由汽車生產(chǎn)大國打造成汽車強(qiáng)國。

2 汽車可靠性分析方法

汽車可靠性分析不僅僅是對(duì)汽車產(chǎn)品做出“可靠”或是“不可靠”的定性評(píng)價(jià)，還必須進(jìn)行定量分析。汽車可靠性分析方法主要包含三種：（1）FTA和FMEA等演繹的方法，經(jīng)過一系列試驗(yàn)驗(yàn)證后，獲得產(chǎn)品材料、工藝以及零部件等方面的缺陷，根據(jù)這些缺陷對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行改進(jìn)與提升;（2）以產(chǎn)品運(yùn)用和試驗(yàn)驗(yàn)證為前提，對(duì)此過程中獲得的實(shí)車數(shù)據(jù)加以總結(jié)與分析，以此為基礎(chǔ)來評(píng)價(jià)其產(chǎn)品的可靠性水平;（3）運(yùn)用有限元分析方法或者疲勞—壽命理論對(duì)產(chǎn)品金屬結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行仿真分析或者試驗(yàn)驗(yàn)證分析，基于此來評(píng)價(jià)其壽命及可靠性。

2.1 FTA和FMEA分析

FTA（故障樹分析）和FMEA（故障模式及影響分析）的邏輯分析方式分別是由上至下和由下至上，屬于互為正、逆向的兩種汽車可靠性分析方法。FTA是指將系統(tǒng)的頂事件逐步分解，直到分解到底層事件為止，而FTA是指基于現(xiàn)存故障信息，由零部件故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，從而對(duì)其模式及影響進(jìn)行分析。

2.1.1?FTA

故障樹分析屬于故障事件滿足一定發(fā)生條件的邏輯分析方式，隸屬于圖形演繹方法。故障樹以系統(tǒng)故障作為導(dǎo)向，由上至下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全方位詮釋，是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖，有助于分析正常及故障兩種狀態(tài)和無時(shí)序的系統(tǒng)。

（1）故障樹定性分析

故障樹的定性分析旨在于對(duì)引起頂事件發(fā)生的多個(gè)故障原因及其組合進(jìn)行系統(tǒng)性和全面性的識(shí)別，其主要內(nèi)容包括最小割集和最小徑集的求解，最小割集越多的話代表系統(tǒng)發(fā)生故障的模式就越多，在求解出最小割集的同時(shí)對(duì)最小割集進(jìn)行處理，可以針對(duì)性的提升某個(gè)系統(tǒng)的可靠性;因?yàn)樽钚郊砹讼到y(tǒng)的安全性，最小徑集的數(shù)量代表了與之相對(duì)應(yīng)的抑制頂事件發(fā)生的控制方案的數(shù)量，最小徑集中包含的基本事件數(shù)量越小直接決定需要控制的基本事件和控制時(shí)間發(fā)生的成本越小。

（2）故障樹定量分析

進(jìn)行故障樹定量分析的目的旨在于將故障樹作為總的計(jì)算模型，求解頂事件的發(fā)生概率、三大重要度（前提條件：底事件發(fā)生概率已知），從而評(píng)價(jià)系統(tǒng)乃至整車的可靠性。重要度是事件及其集合對(duì)頂事件貢獻(xiàn)程度的直觀反映，主要分為以下三種：1）概率重要度;2）結(jié)構(gòu)重要度;3）關(guān)鍵重要度。依據(jù)故障樹的不同結(jié)構(gòu)特征及其應(yīng)用目的，針對(duì)性的選取合適的重要度進(jìn)行分析。

2.1.2 FMEA

FMEA是與FTA不同的一種可靠性分析方法，根據(jù)零部件故障導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)的模式及影響分析，屬于由下至上的分析歸納法。FMEA的主要研究目的在于以產(chǎn)品使用過程中發(fā)生的故障作為前提，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)到落地階段的一系列零部件制造方式、檢查方式等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)分析結(jié)果確定其故障模式及薄弱環(huán)節(jié)，為提升產(chǎn)品可靠性提出依據(jù)。在設(shè)計(jì)、研制和使用等不同的生命周期，F(xiàn)MEA所應(yīng)用方法包括：

（1）故障分析

將整車劃分成七個(gè)子系統(tǒng)，分析各個(gè)子系統(tǒng)的故障頻率并得到相應(yīng)頻率圖，如圖所示。

對(duì)各系統(tǒng)出現(xiàn)的故障模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分，如圖所示：

根據(jù)對(duì)各系統(tǒng)故障模式的統(tǒng)計(jì)，得到個(gè)系統(tǒng)故障故障占比。

（2）危害度分析

通過危害度分析可以得到各子系統(tǒng)中危害度最高的故障模式，為后續(xù)車輛可靠性分析提供依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)歸納分析

2.2.1?道路試驗(yàn)

依據(jù)試驗(yàn)方式的不同，通常將汽車可靠性試驗(yàn)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)、在專門的試驗(yàn)道路上進(jìn)行的快速可靠性試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法，快速可靠性試驗(yàn)的場(chǎng)地具有一定的快速試驗(yàn)系數(shù)，相較于普通試驗(yàn)道路有較大優(yōu)勢(shì)。根據(jù)道路試驗(yàn)得到的可靠性數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，得到故障分布，計(jì)算可靠性水平。

（1）可靠性數(shù)據(jù)的收集及初步整理：搜集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，直方圖分析確定故障服從何種分布，常用的故障分布類型包括指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布等，故障分布類型的不同直接影響對(duì)可靠性的研究^[4]。

（2）故障分布的統(tǒng)計(jì)推斷：計(jì)算分布參數(shù)，確定分布函數(shù)。

（3）分布的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)：擬合優(yōu)度是度量故障數(shù)據(jù)的分布與選定理論分布之間符合程度的無量綱量，依據(jù)擬合優(yōu)度可推斷出故障數(shù)據(jù)是否服從初步分析選定的分布類型。

（4）計(jì)算可靠性指標(biāo)：根據(jù)故障分布函數(shù)計(jì)算汽車可靠性指標(biāo)。

2.2.2?售后數(shù)據(jù)

根據(jù)汽車可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可以確定準(zhǔn)確的試驗(yàn)里程，明確實(shí)驗(yàn)方案，但是相對(duì)于汽車的整個(gè)生命周期來說，可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)里程還是很小，可信度偏低;此外汽車可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)工況與實(shí)際行車時(shí)的使用工況存在較大差異，且此類差異不易被掌握。我國汽車工業(yè)發(fā)展較晚，再加上網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與售后服務(wù)發(fā)展緩慢，導(dǎo)致對(duì)多種存在于售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的故障信息重視度不夠。以售后數(shù)據(jù)為支撐，全方面系統(tǒng)性的進(jìn)行整車及零部件可靠性分析，建立合理可行的評(píng)價(jià)體系極為重要。售后數(shù)據(jù)分析所用方法與道路試驗(yàn)分析方法相同，只是數(shù)據(jù)獲取途徑不同。

3 汽車可靠性設(shè)計(jì)

汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)影響汽車的固有可靠度，利用售后數(shù)據(jù)對(duì)零部件、子系統(tǒng)乃至整車的可靠性進(jìn)行研究分析，建立可行的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有重要意義^[5]。汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)影響汽車的固有可靠度，汽車可靠性設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用對(duì)提升汽車產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的固有可靠性是整車可靠性水平得以保證的基礎(chǔ)，因此必須將可靠性和汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程結(jié)合起來。汽車是否具有滿意的可靠性依賴于前期的設(shè)計(jì)工作，重視汽車可靠性設(shè)計(jì)階段的工作質(zhì)量是至關(guān)重要的。汽車可靠性設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容包括：

（1）制定系統(tǒng)可靠性目標(biāo);

（2）可靠性指標(biāo)的分配與預(yù)測(cè);

（3）結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證;

（4）系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證;

（5）維修制度的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證;

（6）耐特殊環(huán)境設(shè)計(jì);

（7）外購件的選用與可靠性驗(yàn)證;

（8）工藝可靠性設(shè)計(jì);

（9）運(yùn)輸、存儲(chǔ)、包裝的可靠性;

（10）用戶使用中可靠性信息的收集與可靠性改進(jìn)。

4?總結(jié)

可靠性問題越來越受到企業(yè)的重視，但是相對(duì)于國外企業(yè)，國內(nèi)汽車企業(yè)對(duì)可靠性的研究還不成體系，與國外存在很大差距。因此，要加強(qiáng)汽車企業(yè)在汽車可靠性方面的研究，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)直到產(chǎn)品使用和維護(hù)期間的各個(gè)研發(fā)階段，必須全面保證溶入可靠性工作。

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