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汽车悬架系统失效率和可靠度分析黄葛华 南京长江第二大桥有限责任公司 210038摘要：汽车行驶平顺性、操纵稳定性是车辆悬架系统的主要性能指标，也是是衡量汽车悬架系统可靠性重要体现。汽车悬架系统可靠性直接影响着汽车行驶安全性，多数汽车机械故障导致的事故都是由悬架系统引起的。本文对汽车悬架系统失效率和可靠度进行研究分析，从而对提高汽车悬架系统可靠性有着重要意义。关键词：悬架系：失效率；可靠度；分析汽车悬架系统中零部件的可靠性直接影响着汽车悬架系统的可靠性。为了提高零部件可靠性，需要对汽车悬架系统进行故障整理，建立完整的故障数据库，可以帮助用户预测悬架系统的使用寿命和故障机理，在汽车运行期间使用户得到安全性和舒适性。目前，我国没有完善的悬架系统零部件失效模式数据库，本文经过市场调查和信息采集，将国内部分现有运营车辆中麦弗逊式悬架系统的可靠性问题进行总结，通过可靠性分析,有利于改进和提高汽车麦弗逊式悬架系统的可靠性。一、影响汽车悬架系统可靠度降低的主要因素减振器失效往往是由于减振器的疲劳磨损、漏油、零部件老化或损伤造成的。如活塞与缸筒间的配合间隙过大，缸筒拉伤，油封垫圈、密封垫圈破裂损坏，阀门密封不良，减振器弹簧过软或折断，贮油缸盖螺母松动，连接销、连接杆、连接孔、橡胶衬套破裂、脱落、脱焊等1。以上故障将导致减振器的阻尼下降，使汽车运行时的振动不能得到有效地衰减，从而影响汽车乘坐舒适性、操纵稳定性以及动力性能的充分发挥，还会导致车轮轴承、轴接头、转向拉杆、稳定器等部件过载，使用寿命降低。当两侧减振器失效状况不一致时，还将造成汽车车身偏斜，汽车行驶跑偏、轮胎异常磨损、转向不足或转向过度的情况，严重时甚至出现侧翻。二、失效模式及后果分析 在可靠性分析方法中失效模式及后果分析（FMEA）得到较为广泛的应用。 FMEA 的基本原理是考虑一个系统中的每一个元件的每一个潜在失效模式，并且确定任一失效模式对系统正常运行所带来的影响。应在不同层面上考虑失效模式给系统带来的影响，分别考虑系统、子系统或零部件的失效模式。 FMEA 的分析步骤如下： （1）确定分析范围：明确 FMEA 过程中的涉及到的系统、子系统和部件范围。 1）系统 FMEA 的范围：任何系统皆是由各子系统或单元组合成的。典型的汽车系统可能包括：汽车车身系统、传动系统、悬架系统等。系统 FMEA 的重点研究内容为保证系统中各子系统或零部件的正常运行以及该系统与车辆中其他系统能相互配合使汽车正常运行。 2）子系统 FMEA 的范围：任何子系统 FMEA 多为是整个系统的一个组成部分。例如，汽车制动系统是底盘系统的一部分。 3）部件 FMEA 的范围：部件 FMEA 通常是一个以子系统的组成部分为焦点的FMEA，例如，控制臂是前悬架（底盘系统的一个子系统）的一个部件。 （2）系统功能分析：确定失效分析对象的正常运行时的功能及其工作环境。 （3）潜在失效模式分析：潜在失效模式为系统、子系统或零件不能满足设计目的存在的形式。该失效模式可能引起其他子系统或零部件发生失效。 （4）确定故障原因：通过找到任何失效模式发生的原因，根据该失效原因判断故障发生的可能性和确定故障时的探测度。 （5）确定设计过程控制：为了确定故障是否存在特定的失效模式，需要采用检测方法分析，为系统故障检测提供研究方法。 （6）最终风险评估：系统中的每一子系统或零部件应按照其故障的发生频率、探测度和严重度进行评判。风险分析在汽车工业领域中一般用风险优先数法（RPN）。该方法对故障模式影响严重程度、频度及故障检测的难易程度按经验分级打分，这里将检测度理解为探测度。之后由故障模式严重度（Effect Severity Ranking）、发生度（Occurrence Probability Ranking）、探测度（Detection Difficulty Ranking）的乘积计算得出。 （7）采取措施降低风险：当系统存在较为严重的故障时，对该系统进行改进，这可以最终提高产品性能。 （8）给出分析结论：根据失效模式分析，确定该系统中容易发生失效的部分，改进设计及控制流程，从而可以提高产品的可靠性、有效性、合理性。三、样本失效模式的参数确定 通过拟合优度检验，已知各失效模式因素的拟合优度0.9，可以判定寿命数据来自于服从威布尔分布的整体。 威布尔分布是在可靠性工程中应用广泛，数学处理较简单。本文中将预期最小寿命设定为0，两参数的威布尔分布为 (,q)，其特征寿命 T= .根据公式（1）两参数威布尔分布的分布函数经过变形得: 公式（1）在平面上，与成直线关系，形状参数 是斜率；形状参数 和特征寿命共同决定其截距。 根据公式（3.16），运用 MATLAB 软件对各失效模式数据进行编程，求得基本失效模式的参数和失效模式的参数拟合图，其中通过参数拟合图可以判断该失效模式的数据是否准确。X1 减振器失效的程序如下： 图 1 X1 减振器失效模式参数拟合图表 1 基本故障因素参数值符号故障因素分布参考形状参考特征参考TX1减振器失效0.774919.465X2减振器松动0.6038878.519X3减振器漏油0.6289208.206X4螺旋弹簧失效0.804817.856X5螺旋弹簧过度塑性变形或断裂0.767920.028X6下控制臂轴套磨损0.59661174.844X7下控制臂碰撞变形0.788819.627X8球铰链磨损0.823418.992X9横向稳定杆磨损或松动0.780518.822X10轮胎异常磨损0.6219278.798通过上述程序可得结果为 (1)=0.7749， (2)=-2.3004，其中 (1)= ， 为形状参数， (2)= -，因此可求得特征参数 T=19.465。 分别对 10 种失效模式进行程序计算，最终得到各基本故障伊苏的分布参数估计值，如表1 所示，其中为形状参数，T 为特征参数。 根据表 1所示，10 种悬架系统失效模式的形状参数1，则证明这 10 种失效模式都属于早期失效，随着行驶里程的增加，失效率不断降低。 当设定的最小行驶里程为=0 时，特征参数 的数值随形状参数的变化而改变。通过确定每种悬架系统失效模式的形状参数 和特征参数，可继续计算得出各部件的失效率和可靠度。四、不同行驶里程减振器的失效率和可靠度分析我们所谈失效率一般指一批产品工作到某一时刻仍然完好的产品，在下一段时间发生失效的概率。失效概率密度 f(t)和可靠度 R(t)与失效率 (t)之间的关系如下： （公式2）表2 不同行驶里程减振器的失效率和可靠度里程/km6000070000800009000010，000011，000012，000013，0000失效率0.59720.60390.73410.87760.88700.89220.90610.9980可靠度R（t）0.95750.93220.90640.80590.70250.62070.51510.4114螺旋弹簧 B 的失效率公式如下所示，根据公式1可求得可靠度 R(t)，减振器在不同行驶里程中的失效率和可靠度如表3所示。（公式3）表3不同行驶里程螺旋弹簧的失效率和可靠度里程/km6000070000800009000010，000011，000012，000013，0000失效率0.48950.57690.60350.62880.70890.890111可靠度R（t）0.93770.90460.80110.70380.62430.53170.42360.3928横向稳定杆 C 的失效率如下所示，根据可求得可靠度 R(t)，减振器在不同行驶里程中的失效率和可靠度如表 3所示。（公式4）表4 不同行驶里程横向稳定杆的失效率和可靠度里程/km6000070000800009000010，000011，000012，000013，0000失效率0.49110.49460.59960. 60230.65780.73540.84591可靠度R（t）0.92150.91730.89650.84210.76120.68590.64120.5763转向节球铰链 D 的失效率公式如下所示，根据（公式1）可求得可靠度 R(t)，减振器在不同行驶里程中的失效率和可靠度如表5 所示。（公式5）表5 不同行驶里程球铰链的失效率和可靠度里程/km6000070000800009000010，000011，000012，000013，0000失效率0.42780.49850.60350.62890.78130.835411可靠度R（t）0.96850.90270.80110.76150.66340.59120.5464908下控制臂 E 的失效率公式如下所示，根据（公式1）可求得可靠度 R(t)，减振器在不同行驶里程中的失效率和可靠度如表6 所示。（公式6）表 6 不同行驶里程下控制臂的失效率和可靠度里程/km6000070000800009000010，000011，000012，000013，0000失效率0.45560.49910.50270.56980.62850.78650.88631可靠度R（t）0.93830.90720.80260.71020.70600.64370.60190.5010轮胎 F 的失效率公式如下所示，根据（公式1）可求得可靠度 R(t)，轮胎在不同行驶里程中的失效率和可靠度如表 7 所示。（公式7）表 7 不同行驶里程轮胎的失效率和可靠度里程/km6000070000800009000010，000011，000012，000013，0000失效率0.49760.55340.64570.56980.70230.72390.79470.8352可靠度R（t）0.95620.93530.91070.71020.83790.72970.62160.5166根据表 3至表7 所得，减振器、螺旋弹簧、下控制臂、横向稳定杆和轮胎的失效率和可靠度。各部件的失效率随行驶里程的增加而升高，其部件的可靠度则随失效率的升高而降低。四、麦弗逊式悬架系统可靠性框图 通过对可靠性框图进行研究，对麦弗逊式悬架系统进行结构分析，本系统为混联系统，系统可靠性框图中包含串联、并联和混联的子系统。首先减振器与螺旋弹簧并联，同时下控制臂与轮胎并联，再与横向稳定杆和转向节球铰链串联，左右悬架系统间存在并联关系，最终得到可靠性框图，如图1 所示。弹性元件（螺旋弹簧左）减振器 左弹性元件 （螺旋弹簧）右减振器 右横向稳定杆转向节球铰链 左转向节球校链 右轮胎 左A型下控制臂 左A型下控制臂 右轮胎 右下控制臂套 左下控制臂套右面备图 3 麦弗逊式悬架系统可靠性框图根据图3 麦弗逊式悬架系统可靠性框图中各部件的结构关系，设减振器、螺旋弹簧、横向稳定杆、转向节球铰链、下控制臂、轮胎的可靠度分别为 RA、RB、RC、RD、RE、RF，麦弗逊式悬架系统的可靠度为：（公式8）已知各基本部件在不同行驶里程中的可靠度，代入公式（8）中，最终得到麦弗逊式悬架系统在不同行驶里程中的系统可靠度，如表8 所示，从而得到麦弗逊式悬架系统随行驶里程变化的可靠性曲线，随行驶里程变化的麦弗逊式悬架系统可靠性框图如图3 所示。表 8 不同行驶里程麦弗逊式悬架系统可靠度行驶里程/km50007000800009000010,000011,000012,000013,0000可靠度R(t)0.96150.87160.77510.63880.54930.50730.46350.3628图3 随行驶里程变化的麦弗逊式悬架系统可靠性图由表8可知麦弗逊式悬架系统在运行10,0000km 行驶里程时，悬架系统可靠度为0.55，根据可靠度定义，产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，则表示当行驶超过 10,0000km 时，悬架系统发生故障间隔时间变短，可靠性较差。结语为了提高整个悬架系统的可靠性，结合图2 悬架系统可靠性框图，首先应判断各个部件的概率重要度，通过提高