《汽車檢測與試驗技術教材》課件第7章 汽車可靠性試驗

7.1概述7.2汽車可靠性行駛試驗7.3汽車可靠性室內(nèi)試驗7.4汽車可靠性強化試驗7.5特殊環(huán)境和極限條件下的可靠性試驗7.1概述7.1.1可靠性試驗的定義和目的產(chǎn)品可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。汽車在使用過程中承受多種負荷,評價車輛各個單元在這些負荷作用下和規(guī)定時間內(nèi)是否完成目標功能的過程,稱為汽車可靠性試驗。對汽車產(chǎn)品進行可靠性預測和可靠性驗證,可發(fā)現(xiàn)汽車產(chǎn)品質(zhì)量中存在的問題,以便及時采取措施進行改進。在汽車產(chǎn)品設計、制造和試用的各個階段可能都需要進行可靠性試驗?？煽啃栽囼灁?shù)據(jù)可由室內(nèi)臺架試驗或整車可靠性行駛試驗獲得。室內(nèi)臺架試驗可以嚴格控制試件載荷的加載情況,數(shù)據(jù)準確,重復性好,可在產(chǎn)品設計過程中及時發(fā)現(xiàn)設計缺陷。整車可靠性行駛試驗更接近產(chǎn)品的實際使用情況,一般用于整車設計完成后的車輛定型試驗,但受試驗條件所限,試驗樣車數(shù)量不能太大。7.1.2汽車可靠性試驗分類汽車可靠性試驗按試驗方法的不同可分為常規(guī)可靠性試驗、快速可靠性試驗、特殊環(huán)境可靠性試驗和極限條件可靠性試驗。7.1.3汽車可靠性試驗故障類型產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)喪失規(guī)定功能的事件稱為故障(也稱失效)。已經(jīng)發(fā)生但尚未被發(fā)現(xiàn)的,或者是維修、拆檢過程中發(fā)現(xiàn)的故障稱為潛在故障。我國《汽車整車產(chǎn)品質(zhì)量檢驗評定方法》是按其造成整車致命損傷(人身重大傷亡及汽車嚴重損壞)的可能性(概率)對故障進行分類的。(1)致命損傷概率接近1的故障稱為致命故障;(2)致命損傷概率接近0.5的故障稱為嚴重故障;(3)致命損傷概率接近0.1的故障稱為一般故障;(4)致命損傷概率接近0的故障稱為輕微故障或安全故障。7.2汽車可靠性行駛試驗1.試驗準備1)試驗道路選擇可靠性行駛試驗主要是車輛在各種路面上行駛,以全面考查其性能。試驗用的各種道路及在每種路面上行駛的里程數(shù)因車型不同,其要求也有所不同。常規(guī)可靠性行駛試驗規(guī)范見表71。2)車輛準備汽車可靠性行駛試驗都在性能試驗之后進行,而試驗汽車的技術狀況及裝配、調(diào)整檢查都在性能試驗之前進行,因此,進行完基本性能試驗的汽車,無須進行檢查而直接進行可靠性行駛試驗。對于僅進行可靠性行駛試驗的汽車,應做如下準備:(1)接到試驗樣車后,記錄試驗樣車的制造廠名稱、牌號、型號、發(fā)動機型號、底盤主要總成型號及出廠日期,并為試驗樣車編排試驗序號。(2)檢查試驗樣車各總成、零部件、附件、附屬裝置及隨車工具的裝備完整性,緊固件的緊固程度,各總成潤滑油(脂)及各潤滑部位的潤滑狀況與密封狀況,并使其符合GB7258—2017《機動車運行安全技術條件》的有關規(guī)定。(3)檢查蓄電池電壓、點火提前角、風扇皮帶張力、發(fā)動機汽缸壓力、噴油泵齒條最大行程、發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速、制動踏板與離合器踏板的自由行程、轉(zhuǎn)向自由行程、輪轂軸承松緊程度、轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角、輪胎氣壓,以及制動鼓(盤)與摩擦襯片(塊)的間隙等裝配、調(diào)整狀況,使其符合該車技術條件及GB7258—2017《機動車運行安全技術條件》的有關規(guī)定。3)試驗儀器設備在汽車可靠性行駛試驗中,除了進行基本性能試驗所需儀器外,還需要行駛工況記錄儀、排擋分析儀、燃油流量計、半導體溫度計、發(fā)動機轉(zhuǎn)速表、坡度計、路面計、氣象儀、秒表、精密測量量具、照相機等,以及特殊試驗要求所選定的專用儀器及設備。除做好上述準備工作外,還應準備好各種汽車備件、維修用的工具及人員的救護工作等。2.試驗方法可靠性行駛試驗因車型及用途不同,試驗方法和要求也不相同。常規(guī)可靠性行駛試驗按國家標準GB/T12678—1990《汽車可靠性行駛試驗方法》執(zhí)行,試車場內(nèi)快速可靠性試驗按各試驗場標準執(zhí)行。1)可靠性行駛試驗中的駕駛操作(1)在確保安全的前提下,盡可能調(diào)整行駛,同時避開不符合要求的異常路況,以免使試驗車受非正常沖擊擠壓,造成零部件非正常損壞。(2)試驗中要正確選擇擋位,不能空擋滑行。(3)每100km內(nèi)至少應有2次原地起步連續(xù)換擋加速,1次倒擋行車200m,至少制動2次。(4)下坡行駛采用行車制動和發(fā)動機排氣制動,發(fā)動機不能熄火。(5)在城市道路行駛時,每1km要制動1次。(6)在山區(qū)道路行駛時,每100km至少進行1次起步、停車。夜間行駛里程不少于試驗里程的10%。2)試驗中的故障判斷與處理汽車出現(xiàn)故障時,一般憑感官判斷;對于不能憑感官判斷的故障,可借助儀器測試判斷。通常通過接車檢查、停車檢查(每行駛100km停車檢查1次)、行駛中檢查、每天收車后檢查、定期維護檢查、性能測試、汽車拆檢等方法發(fā)現(xiàn)車輛故障。當發(fā)現(xiàn)故障時,應立即查明原因并維修;如果發(fā)現(xiàn)的故障不影響正常行駛及車輛基本性能,并且不會誘發(fā)其他故障,可以繼續(xù)行駛,到認為需要維修時再停車維修,故障的級別以最嚴重時為準。試驗中,對故障發(fā)生次數(shù)、種類、時間、維修情況等進行如實記錄。3)試驗中的汽車維修(1)預防維修。預防維修是指為預防發(fā)生故障而安排的強制性維護和修理,包括對各總成、零部件進行緊固、調(diào)整、潤滑、清洗及更換易損件等。(2)故障后維修。故障后維修是指故障發(fā)生后進行的維修,維修范圍僅限于與故障有直接關系的部位。應根據(jù)具體情況,采取最快、最經(jīng)濟的維修方式,其中包括更換零部件。試驗中要進行故障維修記錄,包括總成名稱、故障里程、故障現(xiàn)象描述、故障原因分析、故障后果、處理措施、故障停車時間、維修用時、費用等。(3)試驗中汽車性能測試。除特殊要求外,在可靠性行駛試驗初期和結束后各進行一次發(fā)動機外特性測試及汽車性能測試,以確定試驗汽車經(jīng)過規(guī)定里程的可靠性行駛試驗后性能指標是否達到設計的要求或國家規(guī)定的限值,以及其性能的穩(wěn)定程度。檢測內(nèi)容通常包括動力性、燃料經(jīng)濟性、制動性、排放、噪聲、操縱穩(wěn)定性、平順性及車身密封性等。(4)檢驗結束后汽車的拆檢。3.試驗數(shù)據(jù)處理1)行駛工況統(tǒng)計可靠性行駛試驗中,每日每班填寫行車記錄卡,試驗員依據(jù)試驗駕駛員填寫的行車記錄卡定期統(tǒng)計有關試驗參數(shù),包括實際行駛里程、平均技術車速、變速器各排擋使用次數(shù)及里程,或時間的占有比例、制動次數(shù)和時間等。上述項目可依據(jù)試驗要求進行相應增減。2)故障統(tǒng)計可靠性行駛試驗中,當日發(fā)生的故障應詳細地填寫在行車記錄卡上,故障描述要真實詳盡,并記錄故障發(fā)生時間、里程、故障現(xiàn)象、故障判別及故障排除措施等,以備試驗員能夠?qū)⒐收险鎸嵉胤从吃谠囼瀳蟾嫔?。試驗中定期將行車記錄卡上填寫的故障按單車發(fā)現(xiàn)故障的里程順序統(tǒng)計于故障統(tǒng)計表中,故障種類欄目中應填寫“本質(zhì)故障”或“誤用故障”?！氨举|(zhì)故障”為試驗汽車正常試驗狀態(tài)下產(chǎn)生的,是試驗車輛本身潛在的、非人為故障?！罢`用故障”為試驗汽車在可靠性行駛試驗中,因使用、維護、維修等未按規(guī)定執(zhí)行而出現(xiàn)的故障,屬于人為故障。故障統(tǒng)計中,只考慮“本質(zhì)故障”,“誤用故障”不計入故障數(shù)。同一里程中不同零件發(fā)生時應分別進行統(tǒng)計,分別計入故障頻次;同一零件同一里程出現(xiàn)不同故障時也分別統(tǒng)計,分別計入故障頻次;如果同一零件發(fā)生幾處模式相同的,則只統(tǒng)計一次故障,故障類別按最嚴重的統(tǒng)計。3)汽車可靠性評價指標及其計算方法(1)平均首次故障里程(MTTFF):指汽車出廠后無須維修而能夠持續(xù)工作的平均里程,即(2)平均故障間隔里程(MTBF):按指數(shù)分布進行計算,即平均故障間隔里程置信下限值(MTBF)L為平均故障間隔里程置信下限值也可通過查表得到系數(shù)δ,然后按下式計算得到。(3)當量故障數(shù)γD:(4)當量故障率λD:(5)千公里維修時間MTm:(6)千公里維修費用MC:(7)有效度A:產(chǎn)品在規(guī)定的使用與維修條件下,任意時刻維持其規(guī)定功能的概率。作為可維修系統(tǒng)的試驗汽車,通常用有效度對其進行最終的綜合評價,其計算式為4)威布爾分布的應用汽車零件在工作過程中不斷承受交變載荷的作用,汽車零件的疲勞壽命是一個隨機變量,一般服從于對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布。因此威布爾分布在研究汽車零件方面獲得了廣泛應用。對于不可維修產(chǎn)品,威布爾分布函數(shù)是應用最為廣泛的可靠度函數(shù),因為它具有很好的兼容性。在實際工程問題中累積故障概率F(t)、可靠度函數(shù)R(t)和概率密度函數(shù)f(t)可以簡化為在汽車零部件可靠性試驗數(shù)據(jù)處理中,除非確知屬于某種分布,一般都采用威布爾分布,并常用以下幾個壽命值來評價產(chǎn)品的可靠性。(1)B10壽命:累積故障概率F(t)=10%時的壽命。(2)特征壽命:可靠度為36.8%時的壽命。(3)中位壽命:可靠度為50%時的壽命,也稱B50壽命。威布爾分布的應用如下:(1)零部件可靠性評價。用威布爾分布來評價汽車零部件的可靠性,目前已得到廣泛應用。此外,額定壽命水平的可靠度也十分有用。形狀參數(shù)表征壽命分布的性質(zhì)。(2)整車首次故障里程統(tǒng)計。汽車、發(fā)動機等復雜系統(tǒng)的首次里程或時間也可以用威布爾分布來統(tǒng)計分析。(3)可靠性改進效果評價。將改進前后的兩組試驗數(shù)據(jù)畫在同一張威布爾概率紙上,能夠很明顯地看出改進的效果,如圖71所示。改進后的數(shù)據(jù)都在原設計數(shù)據(jù)慣例線的右側(cè)。其中,B10壽命改變系數(shù)為210h可靠度為由此可見,新設計比老設計有明顯的改進。改良系數(shù),以B10壽命記為2.1,以210h可靠度記為2.05。(4)確定快速試驗的快速系數(shù)。對于某車型,同批后鋼板彈簧在海南試驗場進行快速可靠性試驗與在其他地區(qū)某用戶實際使用的失效數(shù)據(jù)進行分析,若用兩組數(shù)據(jù)的B10壽命比較,可計算出試驗場和用戶之間的快速系數(shù)K:7.3汽車可靠性室內(nèi)試驗7.3.1程序疲勞試驗1.載荷級數(shù)的確定目前還無法實現(xiàn)用累積頻次圖上的曲線連續(xù)加載,因此將連續(xù)的曲線改成階梯形,便于程序控制的實現(xiàn)。對于擴展的載荷幅值累積頻次曲線要進行分級,以得出試驗程序載荷譜。對于概括同一累積頻次曲線分成不同的加載級數(shù)進行程序疲勞試驗所得到的疲勞壽命并不完全一致,這說明載荷級數(shù)對疲勞壽命有影響。對于同一載荷累積頻次曲線,一般可以編成4~16級載荷譜。2.試驗周期的確定試驗周期是零部件在使用壽命期間內(nèi)載荷程序的重復次數(shù)。車輛一個周期約為15萬公里。程序疲勞試驗中,加載次序?qū)ζ趬勖囼灲Y果是有影響的,為了減少這種影響,需要對編制的載荷程序多次重復。重復次數(shù)一般選擇μ=10~20次。3.低載荷級的略去為節(jié)省試驗時間,可忽略低幅工況對疲勞的影響。略去s/σ<1.75的應力級對試件的疲勞壽命沒有影響或影響很小。因此,7、8兩個載荷級可以略去,可節(jié)省時間90%左右。4.加載次序的確定不同的加載次序?qū)υ囼灲Y果影響很大,高—低次序的試驗疲勞壽命最低,低—高次序的試驗疲勞壽命最高,而低—高—低和高—低—高次序的試驗疲勞壽命介于前面兩個壽命之間,且比較接近于隨機加載的情況,所以實際中常選用低—高—低的加載次序。加載次序階梯圖如圖73所示。7.3.2隨機載荷的復現(xiàn)試驗1.復現(xiàn)試驗將隨機載荷的試驗從室外改到室內(nèi)進行復現(xiàn),稱為復現(xiàn)試驗。復現(xiàn)試驗可與實際情況非常符合,有助于尋找零部件損壞的原因,分析薄弱環(huán)節(jié),為產(chǎn)品設計提供依據(jù);便于對試驗對象進行系統(tǒng)識別,分析系統(tǒng)的動力特性;可人為地施加各種隨機輸入,來測定動態(tài)特性;可節(jié)省人力、物力和大量的時間。2.復現(xiàn)的等價條件對一個隨機載荷振動需要從三方面進行數(shù)學描述,即幅值域描述、時間域描述、頻率域描述。若在室內(nèi)振動復現(xiàn)臺上要實現(xiàn)隨機振動X臺(t)與產(chǎn)品在真實環(huán)境中的隨機振動X實(t)的統(tǒng)計特征一致,則復現(xiàn)臺與產(chǎn)品的環(huán)境相等價。7.4汽車可靠性強化試驗7.4.1可靠性強化試驗理論RET是考核汽車產(chǎn)品可靠性的基本試驗方法,是汽車在比正常使用環(huán)境苛刻的條件下進行的壽命試驗。同時,需根據(jù)加速壽命模型和強化試驗的結果來推算正常使用條件下汽車的使用壽命。進行RET的理想時間是在設計周期的末期,此時設計、材料、元器件和工藝等都準備就緒,而生產(chǎn)尚未開始。RET施加預定的環(huán)境應力和工作應力,從小量級開始,然后逐步增加直至達到目的。RET技術的理論依據(jù)是故障物理學,將故障或失效當作研究的主要對象,通過發(fā)現(xiàn)、研究和根治故障來達到提高可靠性的目的。1.RET的基本原理1)應力與壽命的關系根據(jù)強度理論,疲勞曲線在其有限壽命范圍內(nèi)的曲線方程為2)溫度與壽命的關系溫度循環(huán)屬熱疲勞,不同溫度變化率與循環(huán)次數(shù)之間的關系見表73。2.工作極限和破壞極限產(chǎn)品的工作極限是指施加時能引起產(chǎn)品故障,去除后能恢復正常工作的環(huán)境應力。產(chǎn)品的破壞極限是指產(chǎn)品出現(xiàn)永久性“硬”故障相對應的應力點。產(chǎn)品的破壞極限通過步進應力試驗得到。通常施加處于正常工作范圍內(nèi)的應力,若出現(xiàn)故障,則對產(chǎn)品進行分解并分析、歸類故障模式;若未出現(xiàn)故障,則進行下一步。逐步將單一或組合應力增大,直到出現(xiàn)下述三種情況之一時終止試驗。(1)全部零件失效;(2)應力等級已經(jīng)達到遠超過為驗證耐用產(chǎn)品設計所要求的水平;(3)隨著以更高的應力等級引入新的失效機理,不相關的失效開始出現(xiàn)。3.試驗剖面在進行可靠性強化試驗之前,必須合理確定試驗剖面。試驗剖面包括應力類型的選擇、應力量級、試驗時間和應力施加的順序等。4.測試設備測試設備包括快速檢測受試產(chǎn)品失效的儀器、測量溫度應力和振動應力的傳感器等。在進行可靠性強化試驗時,必須通過測試設備進行檢測,以保證環(huán)境應力施加的準確性以及故障信息出現(xiàn)的及時性。5.試驗設備MVE/Hanse等公司開發(fā)的可靠性強化試驗設備采用氣錘反復沖擊式激振和液氮制冷方式,可產(chǎn)生寬帶全軸(3軸6自由度)隨機振動激勵,并具有大溫變率試驗能力。Entela公司推出的加速試驗設備FMVTmachine仍采用氣錘激振器,但原理不同。FMVTmachine設備的6自由度振動是可重復和控制的,能改變能量等級、低頻帶能量大小,在某些情況下可控制頻譜形狀。在我國,國防科技大學可靠性實驗室和北京航空航天大學可靠性工程中心引進了相關的可靠性強化試驗設備,能夠?qū)崿F(xiàn)3軸6自由度隨機振動和大溫變率(60℃/min)循環(huán)試