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汽车电器系统可靠性试验测量系统与软件开发 摘要 汽车产品可靠性试验是检验汽车及其零部件质量，保障人生安全，维护合 法利益的有效手段。针对目前国家标准以及行业标准对汽车电器可靠性检验的 单一性、不全面性，专门研制了汽车电器系统可靠性试验系统。本文详细论述 了其测量系统和监控软件的设计、开发过程，以及工程运用。 通过对汽车电器系统工作原理分析，结合自动监测测试技术，提出了汽车 电器系统振动模拟试验测量系统设计方法，以及监控软件开发思路。同时，通 过选择合适的测量仪器、软件开发平台，结合测量系统集成思想、程序编写工 作，实现了测量系统和监控软件的设计与开发。 依据监控软件故障诊断与记录文档，结合汽车电器寿命分布规律，提出了 振动模拟试验下汽车电器寿命的估算方法。文中详细叙述了运用图估计法估算 汽车电器寿命的计算过程，并可进一步计算出汽车电器寿命里程，以及相关的 汽车电器可靠性评价指标。当汽车电器振动可靠性试验结束，会自动产生汽车 电器系统可靠性试验报表，其中包含了试验的基本信息、可靠性评价指标以及 汽车电器系统可靠度。 同时，今后还需开展大量的汽车电器振动模拟试验，完善实际工况模拟的 精确性、试验方法的准确性，为汽车产品可靠性研究工作提供有效的手段。 关键词：汽车电器振动模拟试验测量系统监控软件 d e v e l o p m e n to fm e a s u r i n gs y s t e ma n ds o f t w a r ef o r a u t o m o b i l ee l e c t r i c a lr e l i a b i l i t yt e s t a b s t r a c t t e s t so fa u t o m o b i l er e l i a b i l i t yi st h eu s e f u lw a yt oc h e c k o u tt h eq u a l i t yo f a u t o m o b i l ea n di t sa s s e m b l i e s ，e n s u r et h es a f eo fl i f ea n dv i n d i c a t el e g a lb e n e f i t s v i e wo ft h ec u r r e n tn a t i o n a la n di n d u s t r ys t a n d a r d sf o ra u t o m o t i v ee l e c t r i c a l a p p l i a n c e sr e l i a b i l i t yt e s ta r eu n i t a r ya n di n c o m p l e t e w ed e v e l o p t h er e l i a b i l i t yt e s t s y s t e m f o ra u t o m o t i v ee l e c t r i c a ls y s t e ms p e c i a l l y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e m e a s u r e m e n ts y s t e ma n dm o n i t o r i n gs o f t w a r ef o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t p r o c e s s e s ，a n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，d e t a i l e d l y t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fa u t o m o t i v ee l e c t r i c a ls y s t e m a n da u t o m a t i cm o n i t o r i n gt e c h n i q u e s ，t h er e s e a r c h e r sh a v ed e v e l o p e dd e s i g nw a y s f o rt h ev i b r a t i o ns i m u l a t i o nt e s ts y s t e ma n dt h em o n i t o r i n gs o f t w a r e m e a n w h i l e ， b ys e l e c t i n gar i g h tm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa n df l a tr o o fo fd e v e l o p i n gs o f t w a r e ， c o m b i n i n gi d e a so fm e a s u r i n gs y s t e ma n dp r o g r a m m i n gw o r k ，d e s i g n f o rt e s t s y s t e mo fa u t o m o b i l ee l e c t r i c a lr e l i a b i l i t ya n dd e v e l o p i n gf o rm o n i t o r i n gs o f t w a r e h a v eb er e a l i z e d c o m b i n a t i o nw i t ht h ed o c u m e n t so ff a u l t sr e c o r d i n g sf r o mt h em o n i t o r i n g s o f t w a r ea n dt h el i f e sd i s t r i b u t er u l e so fa u t o m o b i l ee l e c t r i c a l ，t h er e s e a r c h e r sh a v e d e v e l o p e de s t i m a t i n gm e t h o d sf o ri t i tw i l ld i s c u s si nd e t a i la b o u tt h ep r o c e s s i n go f c a l c u l a t i n gt h e l i f e b yu s i n gc h a r te s t i m a t i o n m e t h o d sa n dt h ea u t o m o b i l el i f e m i l e a g e sa n dt h ec o r r e l a t i v ee v a l u a t i n gi n d e xf o ra u t o m o b i l ee l e c t r i c a lr e l i a b i l i t y w h e nt h et e s ti so v e r ，i tw i l lb ea u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e dt h er e p o r to fi t ，i n c l u d i n g b a s i ci n f o r m a t i o no ft e s t ，e v a l u a t i n gi n d e xo fr e l i a b i l i t y a n dt h ea u t o m o t i v e e l e c t r i c a ls y s t e mr e l i a b i l i t y b e s i d e s ，t h e r ea r ep l e n t yo fa u t o m o b i l ee l e c t r i c a lt e s t st ob ed o n ei nt h ef u t u r e i tc a ni m p r o v et h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o ni nt h et r u ew o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dt h e v e r a c i t yo ft e s tm e t h o d s i tw i l lp r o v i d ev a l i dm e a n sf o rt h er e s e a r c ho f a u t o m o t i v e p r o d u c tr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l ee l e c t r i c ：v i b r a t i o n s i m u l a t e 。t e s t ；m e a s u r i n gs y s t e m ； m o n i t o r i n gs o f t w a r e ； 表格清单 表l 一1 汽车可靠性试验种类2 表2 1u u t 单元分类及其设计规则1 4 表3 1 各仪表信号模拟方法2 4 表4 1 典型故障诊断报警判据3 5 表4 2 动态用电器工作原理3 6 表4 3 组合仪表监控方法分类一3 7 表4 43 4 9 8 0 a 内置d m m 频率测量性能3 8 表5 1 汽车电器系统振动可靠性试验报表5 5 v 插图清单 图2 1 瞬断测量原理1 2 图2 2 测试系统逻辑对应关系1 4 图2 3 多路复用型系统结构一1 7 图3 1 测量系统结构简图18 图3 2a g i l e n t 3 4 9 8 0 a 多功能开关测量单元2 0 图3 33 4 4 11 a 数字万用表2 l 图3 - 43 4 9 2 5 a 多路复用开关工作原理图2 2 图3 5 某一频率信号模拟电路2 5 图3 - 6 系统硬件构成2 5 图4 1l a b w i n d o w s c v i 下虚拟仪器软件的组成2 7 图4 2l a b w i n d o w s c v i 软件开发基本步骤2 7 图4 3 软件功能模块结构图2 8 图4 - 4 试验监控界面3 0 图4 5 汽车电器配置界面3 0 图4 6 门限值设置界面31 图4 7 数据查询界面31 图4 8 配置数据管理3 2 图4 9 试验数据管理3 3 图4 1 0 管理员用户权限界面3 4 图4 1 1 试验员用户权限界面3 4 图4 1 2 一般用电器监控电路3 5 图4 1 3 动态工作用电器监控电路3 7 图4 14 仪表监控电路3 7 图4 1 5 测频率法测量原理3 8 图4 1 6 测周期法测量原理3 9 图4 1 7 系统故障诊断流程4 1 图4 1 8 进入监控界面流程图4 2 图4 1 9 建立新建试验信息4 3 图4 2 0 开始试验。4 3 图4 21 l6 0 m s 定时采集器4 4 图4 2 2 故障诊断判据4 4 图4 2 3 用电器按钮右键菜单项相关功能4 5 图4 2 45 0 0 m s 定时器报警提示4 5 图4 2 53 4 9 8 0 a 通道扫描4 5 i i i 图4 2 6 系统总运行时间计算4 5 图4 2 7 菜单及按钮屏蔽操作4 6 图4 2 83 4 9 61x 运行时间。4 6 图4 2 93 4 41 1a 数据采集界面4 6 图4 3 03 4 4 1l a 开始数据采集4 7 图4 3 1 进入配置界面流程图4 7 图4 3 2 进入查询界面流程图4 8 图4 3 3 进入数据管理界面流程图。：4 8 图4 3 4 进入用户管理界面流程图4 8 图5 1 汽车电器振动可靠性试验系统实物图一4 9 图5 2 某一次试验故障诊断记录5 0 图5 3 每次电器总数为n ，重复m 次试验的次序统计量5 1 图5 4 次序统计量的b e t a 分布图一5 2 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥8 坠三：些盔堂 或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期加妒年钐月踞 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g 里工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金l 曼些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期9 年缈柳艏 学位论文作者毕业后去向： ：1 作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日鼎f 口年舻月萝日 电话： 邮编： 致谢 时光飞逝，转眼间三年的研究生生活己接近尾声! 回首过往的岁月，无论 在学习、工作，还是在生活中的各个方面，我都得到了许多老师、同学和朋友 的关怀与帮助。值此论文完成之际，谨向你们致以衷心的感谢! 本课题的研究工作与论文撰写是在导师陈剑教授的谆谆指导下完成的，自 始至终都倾注了导师的大量心血。感谢导师一直以来对我的关怀和教诲。先生 深厚的学术造诣，严谨的治学态度，敏锐的创新精神，求实的科研作风，乐观 的生活态度，民主的教育方式，不倦的敬业精神都给我留下了深刻的印象，并 深深地影响着我，使我受益终生。在此谨向先生致以衷心的感谢和崇高的敬意! 感谢陈心昭教授、毕传兴教授、许滨老师以及噪声振动工程研究所所有的 老师，是你们的热情，你们的努力，你们的无私使我一点一点成长，一步一步 做出今天的成绩。同时也要感谢雷达师兄，在论文研究工作中给予我很大的关 怀与帮助! 三年来，实验室的所有成员共同营造了浓厚的学术氛围和良好的学习环境， 在学习和工作中，大家相互支持与协作、共同交流与沟通，这所有的点点滴滴 都给予了我很大的帮助和促进。几年的朝夕相处也使我们建立了深厚的友情， 弥足珍贵。谢谢你们! 最后感谢我的父母和亲人，感谢他们这么多年来对我的支持和关怀，正是 他们无私的关爱和辛勤的付出，使我能进一步学习，并顺利完成学业，如期完 成论文工作。 作者：马文明 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 1 1 汽车产品可靠性 1 1 1概述 从可靠性技术的发展可以看到，汽车产品可靠性问题是从实际生产和用户 实际使用中提出来的。随着科学技术的迅速发展、生产领域的日益扩大与生产 过程自动化程度的不断提高，以及人们物质生活与社会要求的变化，产品可靠 性的意义就愈来愈显得重要，人们对这个问题的认识也愈来愈深刻。例如，世 界汽车业于1 9 6 9 年在有的国家曾发生过汽车“退货事件”【1 1 。根据调查和分析， 问题的本质是社会对汽车的要求发生了变化而不是汽车的故障增多了，也就是 说用户对汽车产品的可靠性要求高了。 在人们安全性意识不断增强的今天，汽车可靠性工程显得尤为重要，其主 要分为三个阶段：汽车可靠性设计、汽车可靠性评价、汽车可靠性试验1 2 4 】。 ( 1 ) 汽车可靠性设计 评价汽车产品质量，有多项考核指标，可靠性是其中重要指标之一。产品 可靠性的高低，取决于产品设计和制造的固有可靠性。因而，将可靠性融入汽 车产品的设计过程，是保证产品可靠性水平的关键。 大量试验资料与用户调查资料表明，多数汽车故障与设计有关【1 1 。汽车的 固有可靠性主要取决于设计，所以可靠性工程必须从设计入手，设计工作是汽 车可靠性工程的起点和基础。 ( 2 ) 汽车可靠性评价 为了对汽车可靠性有直观的认识，需要制定一些定量评价指标。国家标准 和行业标准中都有相应的汽车可靠性评价指标以及最低限值。只有满足了各项 可靠性指标才能进一步开展汽车产品其它性能指标的检验。可靠性评价指标一 般可分为不可维修零部件可靠性指标和可维修总成整车可靠性指标两大类。对 于可维修总成整车可靠性指标有【5 1 ：平均故障间隔里程( m t b f ) 、平均首次 故障里程( m t t f f ) 、当量故障率( d ) 、有效度( a ) 、综合评定分值( q ) 等。 ( 3 ) 汽车可靠性试验 可靠性试验的目的是评价产品可靠性水平，测定产品可靠性指标，从而为 产品的研制、设计、开发提供依据。为了分析、评价、验证和提高汽车产品的 可靠性而进行的试验，统称为汽车可靠性试验。广义来说，任何与汽车产品失 效效应有关的试验，都可以认为是汽车可靠性试验。狭义的汽车可靠性试验， 往往是指汽车产品寿命试验。汽车可靠性试验是汽车产品可靠性评价中不可或 缺的重要手段，也是保证汽车达到预期可靠性水平的重要措施，是研究和提高 汽车可靠性的基本环节之一。 1 1 2 汽车可靠性试验方法 汽车可靠性试验是评价新车设计水平，检查汽车工业成批产品质量的主要 手段，也是在样车修正设计和调试过程中考核新的技术方案和新的设计的有效 措施。汽车可靠性试验方法很多u - z l ，在汽车产品研制、生产的各个阶段，随着 试验的目的、要求和试验对象的变化，试验人员应做出不同的选择。汽车可靠 性试验方法一般按照试验地点、试验对象、试验性质、试验条件等进行分类， 见表1 1 。本节主要讲述按照试验地点分类的汽车可靠性试验方法。 表l 。i 汽车可靠性试验种类 分类方法 汽车可靠性试验种类 用户可靠性试验 按试验地点试验场可靠性试验 室内可靠性试验 整车可靠性试验 按试验对象总成可靠性试验 零件可靠性试验 可靠性试验 维修性试验 按试验性质 耐久性试验 综合可靠性试验 常规可靠性试验 快速可靠性试验 按试验方法 可靠性抽样试验 环境试验 按照试验地点分类：可分为用户可靠性试验、试验场可靠性试验、室内可 靠性试验。三种试验方法各有优、缺点。 ( 1 ) 用户可靠性试验一一用户可靠性试验就是按照用户实际使用条件进行的可 靠性试验。它能客观真实地评价产品在实际使用中的可靠性和维修性，其试验 所得的数据和结论，最为直截了当，也最为可靠。它的缺点是费用消耗大、投 入的人力物力较多，试验周期长。这种试验主要是以汽车整车可靠性试验为主， 也包括一些重要总成的可靠性试验。它是一种综合性的可靠性试验。另外，由 于用户使用的试验场地范围广，使用情况复杂多变，不确定因素较多，试验的 重复性相对较差，事先必须有完善的试验计划。每开发一种新车型，至少需要 进行两次试验，一次在设计定型前，一次在投产后。每次持续时间或里程应相 当于在用户手中3 至5 年的实际使用期1 4 j 。 在开展用户可靠性试验时，挑选试验的路面、地区须有一定的计划。一般 可分为：平整道路、泥路、山路、城市道路、坑洼的恶劣路面、严寒酷暑地区、 2 高原、高湿、低气压地区，试验中必须有计划地各取一定的里程。 ( 2 ) 试验场可靠性试验一一由于技术上、物质上、时间上的原因，许多汽车产 品不宜采取用户可靠性试验。例如许多破坏性试验、特殊环境试验等。此时可 以采用模拟的使用条件，或是相对实际强化的使用条件进行试验。这种试验的 优点是：各种试验条件集中于一处便于开展试验，能够保持恒定的试验条件， 参数和因素易于分辨和隔离，有利于针对性地解决问题，试验结果具有可比性， 试验数据的重复性高，试验的安全性好，试验周期短。 同时，试验场可靠性试验也存在一些缺点：试验场的试验条件与实际使用 地区的条件不尽相同，所得到的可靠性数据需要根据实际的使用情况对模拟试 验条件下取得的数据进行强化系数计算，且需要大量的试验和统计数据作为基 础。其次，试验场地的建设需要大量的资金，每年开展试验的车型有限。其投 资规模大，投资效益难于回收。 目前，大型的汽车制造企业一般都建有试验场，如美国通用汽车公司于2 0 年代建设了试验场；英国的m i r a 、日本的汽车研究所j a r i 在二次世界大战也 建有试验场。我国于1 9 8 7 年建成了海南汽车试验场，有2 2 种典型路面，模拟 了中国境内典型的道路；还有东风汽车公司所属的襄樊试验场等等。它们都为 我国汽车工业的发展和新车型的开发创造了理想的试验条件。 ( 3 ) 室内可靠性试验一一室内可靠性试验是采用模拟汽车实际使用工况，开展 台架模拟试验。室内可靠性试验大致经历了三个阶段：早期是等幅加载试验； 逐渐发展到程序加载的多工况试验；随后，随机加载的试验开始增多。现今， 汽车零部件和总成的实验室可靠性试验，多以实车行驶的道路谱随机加载试验 为主。 室内可靠性试验以台架模拟试验为主，其就是在实验室使用专门的试验台 架装置，模拟实际工作状态，完成总成或零部件的试验。它是实际工作状态在 实验室再现的一种方法。在新产品开发阶段，耗时、耗资最多的是可靠性评价 试验，为缩短时间、节约经费，可采用台架模拟试验。 室内模拟试验有以下优点 9 - 1 0 1 ： 1 ) 试验系统通用性强，试验对象可以按照需要选定，随时更换试验对象； 2 ) 试验参数和因素可以更精确地隔离和控制，可以排除外界的干扰； 3 ) 数据重复性好、可比性强； 4 ) 可以增加载荷，强化试验条件，加速试验进程，缩短试验周期； 5 ) 减轻试验人员劳动强度，实现自动化试验，无需看管、2 4 h 不间断运行； 6 ) 改善试验人员的工作环境，使高温试验、低温试验、有严重噪声的试验环境 在密闭的实验室中进行； 7 ) 最主要的是，可以模拟汽车实际行驶时的各种载荷条件，十分接近用户实际 行驶情况。 1 1 3 汽车电器振动可靠性试验研究现状 汽车电器可靠度，是指汽车电器产品在规定的使用条件下，在规定的时间 或规定的里程内完成规定功能的概率。也就是说汽车在正常的行驶和道路条件 下，一定时间或行驶里程内能够保证正常工作，所有电器零部件无一问题的程 度。目前，汽车行业在产品实现的各阶段均采取了一定的可靠性技术措施，对 汽车产品从零部件、总成到整车的质量加以严格控制，进行了大量的汽车产品 可靠性试验，从中找出影响国产汽车产品质量的主要因素加以改进，使得国产 汽车产品的可靠性水平得到一定提升。现今更是将汽车整车的各项可靠性性能 指标，特别是汽车电器系统可靠性性能指标作为评价整车厂质量管理水平的决 定性因素。近几年来，随着轿车走入家庭以及国外轿车品牌的大举进入，汽车 e t - i 导数量的增加，汽车电器产品的可靠性越来越成为国内各大厂家关注的焦点。 国内外关于汽车电器振动可靠性试验的研究，都是依据国家标准或行业标 准开展汽车电器可靠性试验【1 1 j3 1 。主要包括：单频正弦振动、稳态加速度振动、 宽频带随机振动等。它们都是针对单一电器进行振动可靠性试验，验证电器可 靠性。其目的单一，效率低。汽车电器现有的台架试验设备也主要是针对单个 零部件或子系统。总体来说，其相对于整车电器系统实质是一种分解的试验方 法，只是针对每一种电器单独开展可靠性试验，其考核指标单一，且无法对系 统整体的可靠性进行考核。现有的实车行驶试验和台架试验方法，在对汽车电 器进行试验的过程中都缺乏相应的监控方法及试验数据记录。无法从试验中得 到充分、可靠的数据作为产品故障机理分析的依据，不利于设计改进和产品质 量控制。试验结果的单一与结论的笼统性，对汽车电器的进一步量化分析造成 困难，无法进行经济型设计，增加成本、浪费资源。目前尚缺乏能够脱离实车 对整车电器系统整体进行可靠性试验的方法及设备。 在上述情形下，国内各大型相关企业为了提高自身产品的竞争力，都开始 研制汽车产品相关的现代化试验及自动监测系统。目前，国内大多数汽车制造 厂家，如一汽、二汽、上海大众等都通过与高等院校的合作，联合研制了各自 汽车电器系统的可靠性监测系统。但他们大多数都是针对单一电器开展振动可 靠性试验，或是几个状态的可靠性试验。没有考虑汽车电器系统整体的振动可 靠性，可实际上汽车电器系统之间是相互关联，相互影响的。试验不全面，考 核不准确。因此，试验方法存在很大的局限性。在试验考核方面，传统的方法 多是在试验结束之后，仅对电器的常规损伤进行检测，未考虑电应力的作用。 而且，在整个试验过程中，没有及时的过程监控数据，导致对故障机理分析缺 乏可操作性。因而，针对汽车电器系统开发具有自动化的试验设备和监测系统 具有巨大的工程应用价值。 4 1 2 本课题的来源、研究目的和意义 本课题来源于企业项目“汽车电器系统振动可靠性试验系统开发 ，是为国 内某汽车公司对多款车型汽车电器振动可靠性进行考核而开展的。 汽车电器系统的可靠性是度量整车可靠性的重要指标，它不仅影响汽车的 使用性能，而且影响人民的生命财产安全。资料统计表明：在汽车运行过程中， 电器与电子系统故障占整车故障的比例极高，且呈逐年增加的趋势。努力提高 汽车电器系统的可靠性，不仅可以防止故障和事故的发生，而且可以推动整车 可靠性研究的发展，加快自主开发的能力，从而缩短开发周期、节约开发成本、 降低维修费用等。 对于整个“汽车电器系统振动可靠性试验系统开发 项目来说，测量系统 与监控软件是其核心部分，可采集可靠性试验的数据，可提供试验过程的可视 界面，可将汽车电器系统的所有故障摆在我们面前。 随着我国汽车行业设计制造水平的迅速发展，汽车电器系统在汽车可靠性 研究领域的地位越来越高，配套试验设备的研究与开发已成为影响行业发展的 一个重要因素。以汽车电器理论为基础，运用计算机测控技术，开发具有较强 通用性的自动监测系统，可提高产品试验的自动化程度，增加试验数据的可靠 性。对汽车产品的系统开发、质量管控和设计改进具有重要意义。 1 3 论文的主要内容及结构安排 本文对汽车产品可靠性研究工作做了简单的介绍，论述了国内外关于汽车 电器振动可靠性试验的研究现状，以及其研究意义与目的。针对目前汽车电器 可靠性研究现状，结合汽车电器原理，计算机自动测试技术，自主研制了汽车 电器振动可靠性试验系统的测量系统和监控软件。对开发过程中所涉及到的主 要技术、工程问题进行了研究，并给出了解决方法。同时，对汽车电器振动可 靠性试验数据提出了分析方法，并进一步挖掘。 论文的结构安排如下： 第一章，概述汽车可靠性工程思想，着重介绍汽车产品可靠性试验方法， 以及汽车电器振动可靠性试验的研究现状、意义和目的。 第二章，对汽车电器系统原理进行分析，结合自动化监测系统的设计思想， 提出了汽车电器系统监测需求、监测系统的总体设计、系统构建方案、系统设 计的关键问题及解决办法。 第三章，根据汽车电器系统原理和监测系统功能需求，选择测量设备，以 及介绍了测量系统的组成和集成思想。并详细说明了测量系统各部分的功能， 满足汽车电器系统监控要求。 第四章，详细论述了监控软件的开发，包括软件总体方案设计、监控方法 分析、关键问题算法的实现和各功能模块程序的设计思想。 第五章，简单介绍了汽车电器振动可靠性试验系统，并运用其开展汽车电 器振动可靠性试验。提出了试验数据分析方法、可靠性评价指标，以及试验结 果报告。 第六章，对全文的各部分内容进行了概括性的总结和分析，并讨论了本文 所涉及的内容中有待进一步深入研究和实践的方向。 6 第二章监测系统总体分析 2 1概述 随着测控技术的迅猛发展，以嵌入式计算机为核心的数据采集系统已经在 测控领域占据了统治地位 1 4 - 1 5 】。以数据采集系统为核心的监控系统是通过数据 采集系统将现场采集到的数据进行传输、处理、显示、存储等，以达到现场仪 器或设备工作情况监控的目的。 2 0 世纪7 0 年代，随着计算机的广泛运用，数据采集设备得到了极大的发 展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要 有两类：第一类由仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。这类系 统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用；第二类由数据采集卡、 标准总线和计算机构成。s t d 总线系统是这一类数据采集系统的典型代表。这 种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台 计算机控制，这类系统在工业现场应用较多。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集 系统发生了巨大的变化，由于工业计算机、单片机和大规模集成电路组合，并 用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大 大加强。 2 0 世纪9 0 年代至今，由于集成电路制造技术的不断进步，出现了高性能、 高可靠性的单片机数据采集系统。目前有的产品精度已达到1 6 位，采集速度每 秒可达几十万次。数据采集技术已经成为一种专门的技术。它采用更先进的模 块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编 程，就可扩展或修改，迅速组成一个新的系统。 并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展。典型系统有 v x i 、p c i 、p x i 总线系统等【l 舢1 7 1 ，已达到3 2 位总线宽度，采样频率可以达到 每秒1 0 0 百万次。由于采用了高密度、屏蔽型、针孔式的连接器和卡式模块， 可以充分保证其稳定性和可靠性。 2 2 监测系统需求分析 2 2 1可靠性试验系统的特点 汽车电器系统振动可靠性试验系统是以汽车整车电器系统为研究对象，以 汽车可靠性理论为基础，结合汽车电器系统原理、计算机测控技术、振动试验 控制技术以及机械设计与制造等学科门类的相关知识而开发的，是多学科、多 知识融合的产物【1 8 - 19 1 。 汽车电器系统振动可靠性试验系统是套以汽车整车电器系统为研究对 象，结合试验台架，考核汽车电器系统振动可靠性的试验系统【1 9 】。首先，在试 验台上将汽车电器按实际连接关系连接，同时要考虑其实际的安装相对位置， 7 并加以固定；其次，利用外部电源和仪表信号模拟器对电器系统施加电应力和 驱动信号，使电器可还原实车行驶工况；再次，采用振动控制器( l d s ) 1 2 0 控 制电磁振动台，以采集的路面激励信号作为振动试验的目标信号，l d s 的时域 复现控制功能可很好地复现路面响应信号，模拟汽车电器系统实际的振动应力； 最后，利用监测系统对整个试验过程监控，采集试验数据，诊断故障，记录试 验信息，并对电器的运行状态进行显示。试验结束之后，可对试验过程进行回 放，对试验数据进行提取，结合可靠性评价方法和加速寿命试验方法，进一步 对汽车电器系统可靠性进行评价以及寿命估算。 试验系统是为了研究汽车电器系统振动可靠性，考核汽车整体水平而研制 的。它在模拟汽车电器实际振动方面，有很好的效果。在试验数据方面，可以 实现试验数据的重复性采集，两次试验数据可比性强。总体来说，汽车电器系 统振动可靠性试验系统具有以下特点【1 9 】： ( 1 ) 试验对象为电器系统 试验系统是针对整车电器系统而非单个零部件开展试验，是对多部件联合 作用，振动可靠性整体上的考核。与目前国家行业标准的试验方法相比，可以 更真实地反映汽车电器之间相互作用的影响。 ( 2 ) 电器在带电状态下同时承受振动激励 汽车电器系统在试验过程中，不仅承受振动激励，还承受电应力。电应力 的加载是通过外部电源系统实现，振动激励则是以路面响应信号为目标信号的 振动控制器提供。汽车电器只有在同时承受电应力和振动应力的情况下，才能 更加真实地模拟实际情况，才能更加接近实际。 ( 3 ) 路面响应信号( 路谱数据) 用于振动台控制 为了更加贴近实际，采用实车电器振动响应信号作为振动控制器的目标信 号。在国内某试验场开展实车道路试验，采集相应汽车电器振动加速度时域响 应信号，预处理之后作为振动控制的目标信号，通过闭环控制实现时域复现。 同时，可根据强化理论进一步强化试验场加速度信号，进行加速寿命试验，缩 短时间，减少成本。 ( 4 ) 在线监控、实时的故障诊断与报警 试验系统可在试验过程中对汽车电器进行监控，对故障进行诊断与报警。 而且还可记录试验数据，以便离线状态下对试验数据进行分析，对电器失效机 理进行研究。 ( 5 ) 可靠度估算 试验结束之后，自动生成此次汽车电器系统振动可靠性试验报表，对汽车 整车电器系统做可靠度估算。为汽车电器系统性能的完善和寿命的提高提供宝 贵的材料。 8 2 2 2 监控系统需求 汽车电器系统振动可靠性试验监控系统包括试验测量系统和监控软件两部 分，承担汽车电器系统振动可靠性试验系统的数据采集和实时监控工作。通过 测量系统采集汽车电器的状态参考量，运用监控软件实现实时数据显示、故障 报警等。根据分析可知，监测系统应具有以下功能【1 9 】： ( 1 ) 电应力加载 系统应能对汽车电器系统施加电应力，也即提供汽车电器系统工作所需的 电压、功率等。而且在整个试验过程中都能保持电压值的稳定与功率的充足。 另外还得考虑线路的压降以及其它设备的功率要求。 ( 2 ) 物理量的可识别 监测系统应能对汽车电器系统的主要物理参数进行识别和量值的采集，对 于一些不易或无法识别的，可通过转化设计等手段进行识别。在物理量的选取 方面，一般选用具有代表性的，可以反映电器状态的。 ( 3 ) 连续在线监测能力 汽车电器系统振动可靠性试验处于长时间运行状态，作为被试系统的监测 系统，也必须具备连续的在线监测能力，且其稳定性要好。 ( 4 ) 实时的故障报警诊断能力 在试验过程中，监控软件必须能对发生的故障进行及时的诊断与报警，数 据的记录。对于典型的故障还必须可以进行识别与输出。 ( 5 ) 多数据采集显示 由于汽车电器系统由多个电器组成，且每个电器的监控物理量都不少于一 个，要求系统能多通道采集数据，且可以多数据、多参量同时实时显示。 ( 6 ) 数据的存储与管理功能 监控系统应当具有试验数据的存储与管理功能。在后期的故障分析、可靠 性评价等方面，需要大量的试验数据作为依据。当然，为了可以很好地管理大 量的试验数据，还必须有相应的数据管理功能。 ( 7 ) 历史数据的回放功能 数据应该可以从存储介质上读取并可再现试验过程，以便对试验过程进行 查看，对各汽车电器系统异常状态进行分析。 ( 8 ) 良好的用户界面和易操作性 系统应具有良好的界面，美观、大方等。同时，为了细致分析波形，显示 的图形可以随意移动、放大和缩小。可以有多个窗口同时显示，同一窗口还可 以显示多个波形。 ( 9 ) 通用性好 监控系统应可以适用于不同类型的汽车电器系统的振动可靠性试验监控， 包括：电器工作电压不同、电器类型不同、电器数量不同等等。 9 2 3 监测系统总体设计 为了研究汽车电器系统振动可靠性，实现实时的在线监测，需预先在汽车 电器系统的敏感区域、关键部位、重要参数环节处安装传感装置作为监测节点， 采集试验数据。同时，还需要将电器系统中的物理参量( 如温度、压力、转速等) 转换为电量( 如电压、电流) ，将各种规格不一的信号进行统一的调制处理，规 范化。这样才能使得测量系统可方便的统一采集获取信号。为了可以更好地统 一信号，降低数据采集系统的复杂性，在采集设计时，可将各种不同信号转化 为同一种信号进行采集。如在监测大电流信号时，可利用采样电阻，将电流转 化为电压信号采集。 在故障诊断与状态参数显示方面，可设计多个窗口。可设计不同电器同时 显示在同一界面的多个窗口；可设计同一电器不同特性考核的同一窗口显示： 可设计同一电器不同物理参量的同一窗口显示等等。 在数据处理与分析方面，可通过记录的试验数据对电器故障机理进行深入 的分析。在试验结束，会自动生成汽车电器系统振动可靠性试验报表。其中包 含了试验的基本信息，试验的结果，可靠性评价指标等。为汽车电器的改进设 计提供依据。 2 3 1汽车电器系统在线监测的特点 汽车电器系统具有多对象、多参量、同一物理量离散性大等特点。为了顺 利对汽车电器系统进行监测，需利用各种参数变换元件及传感元件检测各类型 电器的温度、绝缘、电流、电压、转速及部分机械信号等，将采样得来的各种 信号进行调制处理，放大、变换、规格化，再传输给计算机监控软件和提供给 组合仪表，进行数据综合分析与仪表正常工作。 在汽车电器监控中，各电器的监控物理量有所差别，其相应的故障诊断依 据就不尽相同。在进行监控设计时，首先得分析电器监测与诊断的特点。其主 要有以下几点【l9 j ： ( 1 ) 电器系统中具有各种信号，如电压、电流、频率等； ( 2 ) 在汽车电器故障数据库中，可以看到其故障类型相当之多； ( 3 ) 针对不同故障，其监测方法不同，且不同的电器其监控方法也不尽相同； ( 4 ) 测量系统种类多，结构复杂，在选型应多方权衡考虑。 另外，汽车电器系统本身还存在一些特点，其直接影响着监测系统的设计 与开发。 ( 1 ) 汽车电器系统为一完整系统，没有可直接进行测量的节点。这就给监测系 统获取信息带来不便。同时，如果节点少，获取的信息量少，则对整个电器系 统的故障无法判断。 ( 2 ) 目前国内外对汽车电器系统故障的研究甚少，没有完善的故障数据库。在 1 0 对汽车电器系统故障进行诊断时，难免会遇到一些新的故障而无法识别。 ( 3 ) 由于汽车电器系统振动可靠性试验的试验条件严酷，这将对监测系统提出 挑战。监测系统必须有更高的可靠性，某些测量设备也必须能承受振动试验的 严酷试验条件。 2 3 2 系统构建方案分析 2 3 2 1供电电源设计 为了能使汽车电器系统正常工作，需要设计专门的供电电源。一般汽车电 器电路多为低压直流，额定电压值为12 v 或2 4 v 。按照试验标准，在试验过程 中应采用电压值分别为1 4 v 或2 8 v 与其对应。对于功率要求，通过分析计算可 知，系统的总功率大致在5 0 0 10 0 0 w 之间。综上分析，可选一低压大功率直流 稳压电源给整个试验系统供电。同时配备3 5 位数字电压表及电流表各一个， 作显示功用。 电源的性能参数为： 输入 交流电压2 2 0 v + 1 0 ，频率5 0 h z + l h z 。 输出：直流电压0 3 0 v 连续可调； 直流电流o 1 0 0 a t 电压调整率1m v ； 随机飘移：v p p a 且( u l + u 2 ) u m a x 正常 线路压降 i a 且( u i + u 2 ) u 1 u 2 正极端压降过大 过大 u m a x u l u 2 负极端压降过大 其他 b i c ，u 2 d ，u 3 d 正极端线路断路 u 1 d ，u 2 d ，u 3 d 电器内断路 断路 i b 一 u 1 c ，u 3 d 负极端线路断路 u l d ，u 2 c 过度连接器断路 备注： 1 其中：a 、b 为电流门限值，可通过配置文件手动设定，各用电器设定值 不同；c 、d 为电压门限值，可通过配置文件手动设定，各用电器统一设置； u m a x 为标准或试验方法中所规定的各用电器回路中线路的最大压降，可通过 配置文件手动设定；数量越多表示报警优先级越高，不同级别报警方式不同： 同一回路中若同时发生多个故障则可多故障同时报警。 2 故障诊断判据中的u 、i 用一定时间内扫描所得的多个有效值的平均值进 行诊断，以避免随机扰动造成的误判断。 3 系统发现某一稳