可靠性理論－第6章 可靠性試驗方法課件

第6章汽車可靠性試驗第6章汽車可靠性試驗為了分析、評價、驗證和提高產品的可靠性而進行的試驗，統(tǒng)稱為可靠性試驗。廣義地說，任何與產品失效效應有關的試驗，都可以認為是可靠性試驗。狹義的可靠性試驗，往往是指壽命試驗。6.1可靠性試驗的意義在汽車可靠性研究中，通過可靠性試驗了解整車及其各系統(tǒng)的關系，了解總成、零部件的失效情況，獲得可靠性數(shù)據(jù)、資料，從而達到提高汽車產品的可靠性水平。6.2可靠性試驗的目的1) 對汽車及其零部件可靠性水平的評估和考核。利用試驗中獲得的數(shù)據(jù)，求得產品的可靠度、失效率及平均壽命等可靠性指標，以考核其功能、強度、可靠性和壽命等是否符合設計要求。2) 對批量產品或外加工產品進行驗收。3) 對試驗結果進行失效機理分析。通過可靠性試驗，暴露產品在設計、制造、使用、維護、管理方面存在的問題和薄弱環(huán)節(jié)，找出失效原因，提出改進方案，從而使汽車的可靠性水平不斷得以提高。4) 儲備設計所需的資料，探索發(fā)展方向，醞釀新的設計思想，為下一輪開發(fā)新產品積累經(jīng)驗。6.3.1按照試驗場所分類試驗按照試驗場所分類有現(xiàn)場試驗、試車場試驗、實驗室試驗。三種試驗方法各有優(yōu)、缺點。(1) 現(xiàn)場試驗

方法：按照實際服役條件進行的可靠性試驗。這種試驗可以在汽車服役地區(qū)的道路上進行。在服役地區(qū)試驗，也稱野外試驗或現(xiàn)場試驗。進行行駛試驗時，車上一般裝有記錄負荷、應力、速度、溫度的儀器，裝有氣溫、氣壓、風速、里程、燃油和潤滑油的記錄裝置或傳感器。在現(xiàn)場試驗時，須按一定的計劃挑選試驗的路面、地區(qū)。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，地區(qū)可分為嚴寒、酷暑地區(qū)，高原、高濕、低氣壓地區(qū)，試驗中必須有計劃地各取一定的里程?，F(xiàn)場試驗的特點

優(yōu)點：是一種綜合性試驗，能比較全面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(shù)據(jù)和結論，最為直接了當，也最為可靠。

缺點：是費用消耗大、投入的人力較多，試驗周期長，不確定因素較多，試驗的重復性相對差些。

對象：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。

開發(fā)一種新車型，至少進行兩次現(xiàn)場試驗，一次在設計定型前，一次在投產后。每次持續(xù)時間和里程應相當于在用戶手中3至5年的實際服役期。

試車場試驗（續(xù)）

試車場的主要設施：試驗場試驗-試驗設施（續(xù)）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(tǒng)、承載系的可靠性，檢查汽車的操縱穩(wěn)定性能。3)高速環(huán)形車道檢查汽車傳動系的可靠性，包括發(fā)動機、變速器、冷卻系、潤滑系、燃油經(jīng)濟性以及輪胎高速運行條件下的壽命。4)試驗廣場用于穩(wěn)態(tài)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。試驗場試驗-試驗設施（續(xù)）5)特殊壞路是一種破壞性路面，包括凹凸不平約石塊路扭曲路、搓板路，用以考驗懸架和承載系。6)特殊環(huán)境人為制造水槽、泥濘、灰塵、洞等特殊路段考察汽車在特殊環(huán)境下的運行能力。7)越野場地設有各種障礙的自然田塊，通常沒有路面，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(shù)及空氣動力特性。9)標準陡坡測驗汽車的爬坡能力和駐坡能力。實驗室試驗（續(xù)）缺點：由于受試驗條件的限制，不可能完全反映實際使用情況

對象：比較適合于總成或零部件的可靠性對比試驗。

實驗室試驗也大致經(jīng)歷了三個階段:早期是等幅加載試驗，逐漸發(fā)展到程序加載的多工況試驗，最近隨機加載的試驗開始增多。就目前的發(fā)展水平，汽車零部件和總成的實驗室可靠性試驗，仍以程序加載試驗為主。

實驗室試驗-臺架試驗所謂臺架試驗，就是在實驗室使用專門的試驗裝置，模擬實際工作狀態(tài)，完成總成或零部件的試驗。它是實際工作狀態(tài)在實驗室再現(xiàn)的一種方法。尤其在新產品開發(fā)階段，耗時、耗資最多的是可靠性評價試驗，為縮短時間、節(jié)約經(jīng)費，采用臺架模擬試驗。

優(yōu)點:加速試驗進程;數(shù)據(jù)重復性好、可比性強;采集數(shù)據(jù)方便，壽命分布明確;比整車試驗經(jīng)濟。臺架模擬試驗包括:總成可靠性試驗，零件可靠性試驗。其中總成試驗臺架有:發(fā)動機試驗臺架，離合器試驗臺架，變速器試驗臺架，后軸試驗臺架，制動器試驗臺架等等。零件試驗臺架主要用于單一條件的試驗。在開發(fā)試制階段，主要用于考核零件可靠性，考核材料的強度、性能;在批量試車階段，主要用于質量控制或外購件的質量驗收。6.3.2按照破壞情況分類可分為破壞性和非破壞性二種(1)破壞性試驗

試驗樣品最終被破壞或失效的試驗。其中包括破壞性壽命試驗，破壞性極限條件試驗。破壞性壽命試驗是為了確定產品壽命和可靠性特征值而進行的試驗。破壞性極限條件試驗是在超負荷或嚴酷環(huán)境條件(如高溫、低溫、酸堿鹽腐蝕、高濕、缺氧、低氣壓等)下的破壞性試驗，其主要目的是為了考察汽車和零部件產品在特殊環(huán)境下抵抗失效的能力。(2)非破壞性試驗

這種試驗是在不破壞產品的基礎上而獲得可靠性數(shù)據(jù)。其中包括以非破壞性方法查明產品潛在的缺陷，如采用超聲波、聲發(fā)射、射線、探傷劑、磁性等各種無損檢測手段，查找產品是否存在缺陷，從而排除故障源。這種檢測、試驗方法適用于制造階段對材料及其零部件的質量檢驗，也可以對外加工的貴重產品進行抽樣檢驗。按照試驗條件分類（續(xù)）

（2）加速壽命試驗在不改變失效機理的前提下，增加應力幅值或加載頻率，從而使故障率增大或壽命縮短的試驗。這種試驗可以在較短的時間里獲得可靠性評定數(shù)據(jù)和暴露使用中可能出現(xiàn)的故障。這里所提到的應力是一種廣義的概念，它包括負荷(拉、壓、扭、剪)、振動、沖擊等機械應力之外，還包括溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境應力，以及電流、電壓、電場、磁場引起的電應力等等。對于施加機械（交變或隨機）載荷的壽命試驗，通常稱為疲勞壽命試驗。對于汽車產品來說，其MTTF、MTBF大多很長，進行曠日持久的常規(guī)性試驗，從經(jīng)濟和開發(fā)周期來看往往是不允許的。a)加速壽命試驗的目的①設置苛刻的試驗條件，促使樣品加速失效。設置的條件必須與實際情況有內在聯(lián)系，能在短時間內預測通常使用條件下的壽命。②在苛刻環(huán)境和負荷條件下試驗，確定零部件材料的安全裕度。③在苛刻環(huán)境和負荷條件下試驗，剔除有缺陷的零部件，以保證整車的可靠性水平。b)加速壽命試驗方法的選擇原則①保證失效機理的穩(wěn)定性。如果試驗條件過于苛刻，有可能使原來條件下的失效機理發(fā)生改變，產生的失效就是在不正常條件下的失效機理引起的。②明確加速因素與產品壽命之間的關系。通過理論模型或經(jīng)驗模型，折算出正常條件下的產品壽命。c)加速壽命試驗的結果評價

如何評價加速壽命試驗的結果，需要考慮以下幾個問題①與常規(guī)使用條件相比，平均壽命是否縮短?②常規(guī)使用條件相比，故障模式有無變化?③與常規(guī)使用條件相比，故障的范圍有無擴大?④與常規(guī)使用條件相比，負荷條件發(fā)生了哪些變化?⑤在給定的累積故障概率范圍內，與其它加速方法相比較，其試驗結果是否存在差異?⑥反映可靠性指標的F(t)、R(t)、f(t)分布函數(shù)是否與原來常規(guī)使用條件下的分布函數(shù)相同?⑦加速的強度，即加速系數(shù)有多大?⑧試驗設備、監(jiān)視裝置、數(shù)據(jù)的收集分析經(jīng)濟性如何?（3）強制老化試驗在室溫、高溫、低溫、潮濕、腐蝕、紫外線輻射等環(huán)境下，將處于非工作狀態(tài)的汽車或零部件作擱置試驗，使之在短時間里加速老化。這種試驗類似于加速壽命試驗，所不同的是設置了特殊的試驗環(huán)境。(4)臨界試驗臨界試驗就是極限載荷的試驗，用于在短時間內了解零部件能夠承受最大載荷的能力。如(5)特殊環(huán)境下的可靠性試驗

特殊環(huán)境是指特殊的氣候環(huán)境。6.3.4按照試驗樣本大小分類(1)全數(shù)測試

全數(shù)試驗是指對于關鍵項目和指標進行100%的測試或檢查。這種測試所得數(shù)據(jù)較為精確，可靠性置信水平高，缺點是工作量大，測試對象也只能局限于非破壞性產品。需要說明的是:經(jīng)過壽命試驗的樣品是不能作為產品安裝或銷售的。全數(shù)測試實際上是生產現(xiàn)場的在線檢查，目的是提高零件或整車的可靠性水平。(2)抽樣測試

從批量產品中抽取部分樣品進行試驗，利用試驗結果，通過計算、分析來推斷批量產品的可靠性特征量。在可靠性壽命試驗中，為了縮短試驗時間，抽樣試驗大多為截尾試驗。所謂截尾試驗，就是指參加試驗的樣品并沒有達到全部失效就停止了試驗。截尾試驗有兩種方法:①定時截尾試驗到規(guī)定的時間停止試驗。②定數(shù)截尾試驗到規(guī)定的失效判斷數(shù)停止試驗。6.4可靠性試驗計劃6.4.1確定試驗對象不同的試驗對象，其可靠性試驗的方法、試驗樣品的數(shù)量、以及采集數(shù)據(jù)的方式也不同。對于價廉、通用的重要零部件，取較多的試驗樣品，以提高數(shù)據(jù)的置信水平;對于價格昂貴的關鍵零部件，只能取少量樣品;對于復雜的總成、部件，由于樣品數(shù)量的限制，只能用一些主要的參數(shù)作為評價可靠性的指標。例如發(fā)動機臺架的可靠性試驗，除了結構強度外，主要測試功率、轉矩、排放、油耗等指標。6.4.4做好試驗準備①明確試驗承擔者決定試驗任務由那些人員承擔，做到分工明確，責任到人，尤其在野外試車時，需要組織一支精干的試車隊伍。②落實試驗經(jīng)費保障試驗工作的各項使用經(jīng)費。③配置試驗設備對已有儀器、設備進行計量標定，對新購置的儀器、設備做好調試工作，確保試驗數(shù)據(jù)正確可靠。6.4.5編制和應用載荷譜由于汽車的工況和載荷變化十分復雜，從理論上講，通過道路試驗測定的載荷，能真實地反映隨機載荷，數(shù)據(jù)可靠。但是，由于試驗周期長，處理數(shù)據(jù)的工作量大，費用耗資多，這種方法不常使用。經(jīng)常是在典型的路面上進行短距離實測，然后用數(shù)理統(tǒng)計原理進行整理和推斷，最后編制成載荷譜，依照載荷譜對零部件進行快速疲勞試驗。6.5可靠性抽樣試驗6.5.1抽樣試驗的基本概念6.5.1.1常用名詞和術語(1)單位產品

單位產品就是構成產品總體的基本單位。例如:一組螺釘、螺母、一個齒輪、一個變速箱、一輛汽車，都可視為一個單位產品。一百升汽油、一罐冷卻液等等。(2)不合格

不滿足規(guī)定的技術要求。根據(jù)汽車設計的技術標準，在尺寸、成分、強度、性能、環(huán)保、缺陷疵點、外觀等方面偏離要求的。(3)缺陷

不滿足預期的使用要求。對預期使用要求來說偏離或缺少一種或多種質量特性。(4)批

在相同條件下生產出來的一定數(shù)量的單位產品稱為批。如:一批2000型桑塔納轎車，一批別克系列自動變速箱等等。(5)批量

構成批的單位產品總數(shù)稱為批量。(6)試驗批

為判定汽車或零部件產品的可靠性而進行試驗的批稱為試驗批。試驗批應當由生產條件相同的單位產品構成，否則難以判斷產品的可靠性水平。試驗批的大小常常根據(jù)產品的質量特性和可靠性試驗的要求而定。(7)批不合格品率指試驗批中不合格品所占的比率。即式中：P——批不合格品率;D——批中的不合格品數(shù);

N——批量。(8)過程平均不合格品率是指在同一生產過程中所生產的若干批同類產品的不合格品率的平均值。它的計算公式是式中：——過程平均不合格品率;Di——第i批產品中的不合格品數(shù);Ni——第i批產品的批量;K——產品的批數(shù)。由于過程平均不合格品率能夠反映在生產條件不改變的情況下，所提供的產品的不合格品率，因此，當生產過程穩(wěn)定時，它可以用來預測最近將要提交試驗的產品的不合格品率。6.5.1.2試驗方案設計為了保證（外）加工零部件的可靠性，必須進行抽樣試驗。在此之前需要建立一種規(guī)則，就是確定從一批產品中抽取試驗的產品數(shù)和判定接收或拒收該批產品的規(guī)則。這種規(guī)則就是抽樣試驗的方案。根據(jù)判定標準，抽樣試驗方案可分為計數(shù)抽樣試驗方案和計量抽樣試驗方案兩大類。一般計數(shù)抽樣試驗方案可表示為(N，n，Ac，Re)其中：N──試驗批的批量;n──抽取的產品數(shù)(樣本容量)；Ac──合格判斷數(shù);Re──不合格判斷數(shù)。

(N，n，Ac，Re)計數(shù)抽樣檢驗方案的含義是從批量為N的檢驗批中隨機抽取一個樣本容量為n的樣本，對樣本中的每個產品逐個進行測試，得到樣本中的不合格品數(shù)d，如果d小于或等于Ac，則判定該試驗批合格，接收該批產品;如果d大于或等于Re，則判定該試驗批不合格，拒收該批產品。當Re=Ac+l時，計數(shù)抽樣試驗方案也可記作(n，c)，其中，n為樣本容量，c為合格判斷數(shù)。6.5.2抽樣試驗的類型抽樣試驗的類型，主要有標準型、選別型、調整型和連續(xù)生產型四種。它們各適用于不同的場合，且有其各自的特點。（1）標準型抽樣試驗是根據(jù)抽樣檢驗方案，僅對試驗批作出接收或拒收判斷的抽樣試驗。

適用于產品質量的歷史資料不了解的場合。標準型抽樣試驗能同時兼顧生產者(或供應方)和消費者（或使用方）的利益，使雙方因抽樣試驗而帶來的風險控制在一定范圍之內。抽樣試驗的類型（續(xù)）（2）選別型抽樣試驗它是按抽樣檢驗方案對檢驗批進行試驗以后，對被判定為不合格的批再進行全數(shù)試驗，剔除其中的不合格品，并以合格品補足批量之后，再提交驗收的一種抽樣試驗。適用于不能選擇供應者的購貨試驗，或者企業(yè)內部各生產工序中的成品與半成品試驗或者產品入庫與出廠試驗。

對于經(jīng)過抽樣試驗而被判定為不合格的批可以退貨或降價接收的產品，不適宜采用選別型抽樣試驗。對那些測試是破壞性的產品，則更不能采用選別型抽樣試驗。抽樣試驗的類型（續(xù)）（3〕調整型抽樣試驗這種試驗根據(jù)產品質量變化，隨時調整檢查、驗收、試驗的頻次。通常在放寬、正常、加嚴檢查之間調整變化。對于質量好的產品，采用放寬檢驗條件;對于質量水平逐漸變差的試驗批，則增加檢查頻次，檢驗條件隨之加嚴。隨著產品質量的變化，試驗可以在放寬試驗、正常試驗和加嚴試驗之間進行轉換。但轉換的條件應事先作出明確的規(guī)定。（4）連續(xù)生產型抽樣試驗它是在自動生產線或傳輸帶上傳送的連續(xù)生產的產品進行中途試驗。它不要求產品形成批。對于試驗批，不能采用連續(xù)生產型抽樣試驗。采用連續(xù)生產型試驗，可先連續(xù)對每個產品進行試驗，當合格品數(shù)累計到規(guī)定數(shù)量或不合格品數(shù)在某個值以下時，就可改成每隔一定數(shù)量試驗一次，如果出現(xiàn)不合格品，再恢復到逐個試驗。6.5.3抽樣試驗的方式按照抽樣的次數(shù)，其抽樣的方式分為一次抽樣、二次抽樣、多次抽樣、序貫抽樣四種形式。一次抽樣就是根據(jù)抽樣試驗方案，每次從試驗批N中隨機抽取一個樣本n，當試驗得到的不合格品數(shù)d小于或等于合格判斷數(shù)c時，試驗批合格，予以接收;當試驗批的不合格品數(shù)d大于合格品判斷數(shù)c時，試驗批不合格，應當拒收。一次抽樣試驗的主要特點是:合格判斷數(shù)與不合格判斷數(shù)只相差1，這種方案可以寫成(n，C)，經(jīng)過一次試驗就可以確定是接收還是拒收。二次抽樣試驗就是確定了二個相互配套的抽樣試驗方案，按這組抽樣試驗方案進行試驗，最多只要二次就可以判定試驗批是否合格。見圖二次抽樣試驗框圖多次抽樣試驗是二次抽樣試驗的延續(xù)，只是抽樣的次數(shù)增多而已。一般多次抽樣試驗可以從試驗批中隨機抽取3至10組樣本。序貫抽樣試驗是從試驗批中每次獨取一個樣品，并且根據(jù)這個樣品的測試結果，作出合格、不合格或繼續(xù)抽樣的判斷，直到能夠判定該批產品合格或不合格為止。一般采用序貫抽樣試驗時，只要抽取到一定數(shù)量的樣品，就已能作出該批產品合格或不合格的判斷。6.5.4計數(shù)抽樣試驗的基本原理（不講）計數(shù)抽樣試驗的目的是判定試驗批是否為合格批，最簡單、最基本的計數(shù)抽樣試驗就是一次抽樣試驗方案。（1）接收概率試驗批被判斷為合格予以接收的概率稱為接收概率，記作L(P)。設一批產品的批量為N，其中不合格產品數(shù)為Np，批不合格品率為P，如果從這批產品中隨機抽取一個樣本容量為n的樣本，那么在這個樣本中，恰有d件不合格品的概率為——從N件產品中，隨機抽取n件產品的可能組合數(shù);——從Np件不合格品中，隨機抽取d件不合格品的可能組合數(shù);——從N-Np件合格品中，隨機抽取n-d件合格品的可能組合數(shù)。這是超幾何分布，其中組合的計算方法是當采用抽樣試驗方案(n，c)驗收一批產品時，只要樣本中的不合格品數(shù)d不超過c，就認為合格，予以接收。因此當試驗批的不合格品率為P時，它的接收概率L(P)為其中：P(d)是樣本中恰有d件不合格品的概率。進一步可以證明:當P＜l0%，N/n＞l0時，且nP≤l0時，不合格品率和接收概率服從泊松分布，其計算公式為可以證明:當P＜10%，N/n＞10時，其不合格品率和接收概率服從二項分布，其計算公式如下：（2）抽樣試驗特性曲線抽樣試驗特性曲線，又稱為OC線，見下圖。其橫坐標表示試驗批的不合格品率，縱坐標表示試驗批的接收概率。隨著批不合格品率不斷增大，接收概率逐漸下降。由計算接收概率L(P)的公式可知，參數(shù)(N，n，C