汽车耐久性试验技术

1、1 n结构耐久性在整车开发中的应用 n客户关联（公共道路数据库） n耐久性DVP矩阵 n可靠性的18种工具 2 第一部分：结构耐久在整车开发过程中的应用第一部分：结构耐久在整车开发过程中的应用 客户需求客户需求 设计设计 CAE 试验室试验室 道路道路 设计验证设计验证 公共道路公共道路 定义客户需求定义客户需求制定制定DVP执行执行DVP 整车整车 系统系统 部件部件 道路（试验场）试验道路（试验场）试验 里程累积试验里程累积试验 客户关联客户关联 载荷谱采集载荷谱采集 CAE分析分析 试验室试验试验室试验 1.产品寿命 2.驾驶习惯 3.路面 4.环境 1.设计 2.材料 3.加工制造 4

2、.质量控制 6 第二部分：客户关联（公共道路数据库）第二部分：客户关联（公共道路数据库） 客户关联用来定义了客户使用车辆过程中的操作频率，载荷以及环境 。 它界定了系统/子系统/部件必须服从的操作状况分布。 客户关联可以是针对整车，也可以针对系统、部件，它的输出物是客户 使用应力分布，整车试验场耐久性试验程序，关键寿命试验方法等等 7 n公共道路数据库是指通过一种或者几种基准载荷谱采集样 车，对公共道路进行载荷谱采集，从而形成整车结构强度 基准数据库； 8 Required Test 客户需求客户需求 设计设计 设计验证设计验证 客户需求客户需求 设计设计 设计验证设计验证 客户需求客户需求

3、设计验证设计验证 设计验证设计验证 客户需求客户需求 设计验证设计验证 设计验证设计验证 9 客户1 客户2 客户3 客户? 采集样车公共道路客户需求设计强度验证方法 10 n市场调查 n目的：确定特定市场的路面状况 p高速公路比例 p一般公路比例 p坏路比例 p乘客数量以及行李重量 p各种典型道路 n选定特定市场有代表性的车型 n调查方法 p电子邮件 p电话 p面谈 n每个特定市场至少1000名客户 11 n数据采集 n通道选择 p六分力 p车身扭曲 p应力集中点的应变信号 n典型通道 p减震器安装座 p控制臂球头 p转向横拉杆及连接杆 p减震器及螺旋弹簧 p发动机悬置 12 n开发运转工况

4、及进行试验场测量 13 CAE/试验 室试验 试验场试验 极端客户 14 第三部分：耐久性第三部分：耐久性DVPDVP矩阵矩阵 任何一种试验都有其局限性。 为了建立足够Robust的耐久性DVP计划，必须建立耐久性DVP矩阵，考 虑所有的Noise factor。 15 零部件零部件系统系统整车整车 结构耐久性试验结构耐久性试验 PT耐久性试验耐久性试验 抗腐蚀性试验抗腐蚀性试验 强度试验强度试验 16 17 18 19 20 21 22 23 24 第第四四部分：可靠性的部分：可靠性的1818种工具种工具 耐久性就是指产品在整个生命周期内保持其功能的能力； 可靠性是指产品在整个生命周期内发生

5、故障的概率； n可靠性可以以三种方式来定义 n字典定义： “一个实验、测试或者测量规程在重复试验上产生同样 结果的程度” n概率定义： “系统在指定的时间段、在指定的条件设定下执行其意 图功能的概率” n失效模式定义： “可靠性是失效模式的避免” Real World Usage Profiles 客户使用概况客户使用概况 KLT 关键寿命试验关键寿命试验 Reliability Growth Curve 可靠性成长曲线可靠性成长曲线 Reliability Benchmarking 可靠性对标可靠性对标 Functional & Reliability Target Setting 功能功能

6、/可靠性目标设定可靠性目标设定 Reliability Block Diagram 可靠性框图可靠性框图 Fault Tree Analysis 失效分析失效分析 Stress & Strength Interference 应力应力&强度干扰强度干扰 Degradation Technique 降格技术降格技术 Accelerated Testing 加速试验加速试验 Sample Size Reduction Technique 样本缩减技术样本缩减技术 。 。 n定义需求中的可靠性 三包分析三包分析风险分析风险分析 客户使用条件客户使用条件干扰因素干扰因素 可靠性对标可靠性对标 可靠性方

7、框图可靠性方框图 n概念开发/选择中的可靠性 头脑风暴头脑风暴可靠性方框图可靠性方框图 P图图KLT 故障树分析故障树分析根本原因分析根本原因分析 n设计和优化中的可靠性 故障树分析故障树分析参数设计参数设计 公差设计公差设计应力应力/强度干涉强度干涉 防错设计防错设计分析的可靠性和稳健性分析的可靠性和稳健性 n验证中的可靠性 基础试验方法基础试验方法加速试验方法加速试验方法 高加速试验方法高加速试验方法概率图概率图 信号干扰比信号干扰比可靠性增长曲线可靠性增长曲线 退化分析退化分析可靠性和稳健型检查清单可靠性和稳健型检查清单 n定义和目的 n三包分析是使用现有的工具来分析整个产品三包期三包信

8、息的过程。三 包分析与FEMA相呼应，共同识别通用的问题，从而确保他们不会在未 来的产品中重复； n三包分析既用于对目前系统借用的分析，又用于选择建立新系统的优良 零件。它和风险分析一起主要用于定义阶段。它同样在设计验证中起到 作用，在识别高里程问题中也起到帮助作用； n输入、输出和工具 特定问题 修理数据 三包分析系统 问题大小 三包分析 n例子 n例子 n输出（可靠性方框图） n可靠性对标是一个流程，用来在可靠性领域发现本公司产品 和竞争对手的差距，以及找到改进方法。 n可靠性对标可能包含以下行为： n对标方法选择 n关键寿命试验（对比试验） n失效标准定义 n样本量确定 n可靠性对标流程

9、 关键成功因素关键成功因素 1. 1. 需要对标的内容需要对标的内容 2. 2. 如何做如何做 EnablersEnablers 3. 3. 谁是最好的谁是最好的 4. 4. 他们如何做他们如何做 本公司 竞争对手 可靠性对标 方法选择 试验设定 数据采集 数据分析 结果说明 n可靠性对标及数据分析方法(Table 1) 可靠性对标方法可靠性对标方法数据分析方法数据分析方法 a.a. 部件或者不可修复系统部件或者不可修复系统 可靠性，MMTF 寿命期内的性能 S/N F/1000， TGW/1000 主观评价 寿命数据分析（Weibull, etc) 退化模式 S/N计算 绘图及趋势分析 蜘蛛

10、图, 排列图 *MMTF- Mean Mile to Failure *S/N Signal/Noise * F/1000 failure per 1000 vehicles * TGW/1000 things gone wrong per 1000 vehicles n可靠性对标及数据分析方法(Table 2) 可靠性对标方法可靠性对标方法数据分析方法数据分析方法 a.a. 可修复系统可修复系统 R/1000，F/1000， TGW/1000 S/N 主观评价 MMBF，可靠性，在一定试用 期内的平均修理次数 绘图及趋势分析 S/N计算 蜘蛛图, 排列图 非齐次泊松过程，齐次泊松过 程 *M

11、MBF- Mean Mile between Failure *S/N Signal/Noise * R/1000 Repair per 1000 vehicles n可靠性对标的好处 n为高级管理层提供数据，使其理解本公司产品与竞争对手之间的距离； n提供可靠性相关指标，用于目标设定 n为系统设计规范（SDS），关键寿命试验（KLT）和工程规范（ES）提供 可靠性相关信息； n应用场合 n意外的产品性能下降，导致客户满意度下降； n需要改进产品可靠性，使其能够与竞争对手BIC产品竞争时； n需要比较两种设计方案，或寻求最佳设计方案时； n当需要BIC产品信息来设定自己产品目标时； 在理想的情

12、况下，可靠性对标应该在产品开发的前期在理想的情况下，可靠性对标应该在产品开发的前期进行，进行， 研究的信息和结果可以直接应用到产品设计中去研究的信息和结果可以直接应用到产品设计中去。 n重点及局限 n合理的使用外推法； n对于对标项目而言，测试计划十分重要，需要认真进行考虑，保证时间 和资源的最优化； n在计算中，通常假设MMBF服从指数分布。在计算前，需要对其分布进 行验证，如果不服从指数分布，需要找到其失效的分布模型； n成功对标的关键因素 n管理层的支持； n对工艺的理解； n对标结果的应用； n团队能力； n对标目标和指标的推荐； n范例1 背景 两辆车进行耐久性试验，每次失效发生后，

13、失效车辆经过修 理（例如，焊接底盘，四轮定位等手段）后，继续进行试验 ； 修理可以使一辆车持续进行试验，因此样本量可以最小化， 成本可以最低； nTTSF（time to system failure)数据如下 Failure No. Vehicle a Vehicle b 13101304 27391795 311732479 419843047 525943454 632855422 734975603 839816069 942606093 1043627097 1157987348 1263327930 1379418571 1489528952 n车辆a的TTSF数据可表示如下 TB

14、F1=310TBF2=429TBF3=434 TTSF1=310 TTSF2=739 TTSF1=1173 TTSF13=7941 TTSF14=8952 TBF14=1011 n累积失效次数和累积运行里程如下图，它表示了车辆的性能 趋势 n车辆a的可靠性性能在提高，它的故障时间间隔变长 n车辆b的可靠性性能在恶化，它的故障时间间隔缩短 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0200040006000800010000 坐标轴标题坐标轴标题 坐标轴标题坐标轴标题 Vehicle a Vehicle b Figure1 n更多的计算结果如下： vehicle avehicle b 0.88

15、91.524 4.30E-031.33E-05 MMTF485km1426km 5500km 时 EN(t)9.15 repairs6.67 repairs ROCOF1.47E-031.85E-03 R(t)1.00E-041.30E-03 MMBF601km824km 15,000km 时 EN(t)22.15 repairs30.74 repairs ROCOF1.31E-033.12E-03 MMBF677km488km n失效变化率： n车辆a的失效变化率在逐步降低 n车辆b的失效变化率在逐步升高 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 02

16、00040006000800010000 失效变化率失效变化率 累积运行里程累积运行里程 Vehicle a Vehicle b Figure2 n外推累积失效次数： 0 5 10 15 20 25 30 35 02000400060008000 10000 12000 14000 16000 累积失效次数累积失效次数 累积运行里程累积运行里程 Vehicle a Vehicle b Figure 3 n结论 n 1, 系统性能会恶化, 车辆b满足这个条件； n 1, 系统性能会提高, 车辆a满足这个条件； nFigure 2显示，初期故障率a车要高于b车，但是4000km之后，b车的故障 率

17、超过了a车； nFigure 3显示，9000km之后，b车的累积故障次数发生了急剧上升； na 车的平均首次故障里程要少于b车（早期失效问题）； na 车在长期运行的条件下，性能要优于b车（耐久性好）； na 车遭遇了早期失效问题，它的早期失效率可以通过根本原因分析来避免 这类失效模式来提高 n好处 n为满足客户期望以及达到竞争对手的性能水准而进行的一种持续改进 以及失效避免行动 n提供了在性能和成本二者之间的优选法 n为管理层提供了决心 n假设和局限 n主要的假设是性能降格以及失效是已知的，并且干扰因素可以被很好 的评估。失效模式通过适当的干扰因素可以被分析。这些干扰因素的 影响可以有效的

18、应用在产品上。 n客户的期望以及竞争对手的指标始终在变化，因此，可以达到的目标 不可能始终不变，我们应该始终以最低的成本超越这些目标 n何时进行 n初步的目标设定应该在产品定义初期建立 n能力评估应该和成本管理达成一致 n最终的可达成目标必须在产品定义阶段完成 n输入要求 n项目描述（Program Description Book）- 销售市场，平台来源，新技 术等等 nP图 五种干扰因素信息，相关的失效模式 n产生失效模式的关键寿命试验（KLT） n产品寿命周期 n目标 n在A车型上，针对雨刮系统建立10yrs/240k km功能和可靠性要求目标 n第一步：定义对标/竞争对手车型 n通常情

19、况，利用市场调查数据来定义对标/竞争对手车型系统、子系 统 n例如，通过市场调查，确定福特翼博的雨刮系统功能和可靠性在同级 别车中是最好的。 n第二步：选择合适的对标指标 n对标指标通常可以表示当前设计的不足 n对标指标通常可以采用质量指标，如：R/1000，可靠 性，MMBF， B10life等等； n第三步：根据历史质量数据对问题进行分析 3.1 根据历史数据，找出导致差距的主要原因 问题描述问题描述数量数量百分比百分比 雨刮片撞击A柱54730.56% 雨刮电机失效31217.43% 洗涤液不足29816.65% 雨刮片磨损18110.11% 间隔调节器故障1206.70% 洗涤液泄漏1

20、106.15% 雨刮开关失效814.53% 雨刮臂异响301.68% 其它1116.20% n第三步：根据历史质量数据对问题进行分析 3.2 了解客户需求，确定改善项目 根据下图，确定四个主要问题需要改进，以便提高客户满度： 雨刮撞击A柱 雨刮电机失效 洗涤液不足 雨刮片磨损 n第四步：确定系统分界图及方框图 雨刮洗涤器 电器 顾客玻璃电器分配电器开关 车身前结构底盘-车身材料控制 团体 调节器 车身/总成 操作环境 服务 材料 紧固件 雨刮系统分界图 n第四步：确定系统分界图及方框图 前风挡雨刮系统 洗涤器子系统雨刮子系统 雨刮系统分级方框图 电器分配 电源开关线束雨刮臂&雨刮片联动装置电机

21、 洗涤液喷嘴储液罐软管水泵 n第四步：确定系统分界图及方框图 n对第一个问题“雨刮撞击A柱”，分析表明以下部件或者界面因素影响 到系统功能： p联动装置 p材料 p制造/装配变差 p电机速度 n第五步：确定决定性部件/界面因素 n根据第四步的分析，决定性因素是“联动装置子系统在整个寿命周期内 的稳定性” n编制联动装置子系统的分界图及分级方框图 n团队怀疑联动装置中球节松动是导致第一个问题的主要原因 n为了验证团队的结论，对47个雨刮联动装置子系统进行了试验，试验结 果如下图： n第五步：确定决定性部件/界面因素 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 00.050.10.150.20.250

22、.30.350.40.450.5 角度变化（角度变化（DegreesDegrees） 球套磨损量球套磨损量（mmmm） n第六步：建立决定性部件的P图 干扰因素： 件与件之间的变差 尺寸变化 客户使用条件/工作循环 外部环境 内部环境 联动装置子系统 控制要素： 雨刮臂刚度 球套设计 尺寸 金属材料刚度 输入输出 电机扭矩 使用寿命内 雨刮臂角度 稳定性 n第六步：建立决定性部件的P图 干扰因素： 件与件之间的变差 尺寸变化 客户使用条件/工作循环 外部环境 内部环境 球套 控制要素： 表面加工 材料 球套 润滑油 输入输出 球头螺栓 传递的力 传递到雨刮 臂的力 n第六步：建立决定性部件的P

23、图 n影响球套的关键干扰因素确定如下： p温度、湿度 p盐水/灰尘/水 p材料刚度 以上干扰因素必须在KLT试验中有所体现 n第七步：修正KLT n根据第六步的分析结果回顾现有的KLT，是否有修正的必要 n如果该项目是投放于一个新市场，则必须调查客户使用条件 n第八步：功能/性能目标是否被定义 n检查功能/性能目标是否在系统设计规范/工程规范中被定义 n在此例中，经过检查系统设计规范发现，客户在10年/24k公里使用周期 内对雨刮系统的期望被转化为，雨刮子系统经过150万次试验循环后， 雨刮臂的角度增加不超过1.5度 n第八步：功能/性能目标是否被定义 n但是针对球套的磨损量，并没有详细的定义

24、 n经过前面的分析得知，我们必须建立针对球套的磨损量建立功能目标 n第九步：建立可测量的可靠性/功能目标 n此例中，采用对竞争车型相对应零部件进行测试的方法确定可测量的功 能目标 n对竞争车型的12个雨刮子系统进行试验，试验结果如下图 n第九步：建立可测量的功能/可靠性目标 10.20.10.01 0.99 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.03 0.02 0.01 球套磨损（mm）球套磨损（mm） C CD DF F( (% %) ) n第九步：建立可测量的功能/可靠性目标 n从上图可以看出，竞争车型球套经过150万个循环的试验之后，97%的 零件磨损量小于0.2mm n可根据公司情况，确定自己产品的功能和可靠性目标（超出或者低于） n第十步：评价当前系统针对该目标的性能 10.20.10.01 99 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 3 2 1 球套磨损量球套磨损量 C CD DF F（% %) ) n第十步：评价当前系统针对该目标的性能 0.80.70.60.50.40.30.20.10.0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 球套磨损量球套磨损量 P PD DF F n第十一步：确定改进措施 n根据以上分析，