《汽车检测与试验技术教材》课件第7章 汽车可靠性试验

7.1概述7.2汽车可靠性行驶试验7.3汽车可靠性室内试验7.4汽车可靠性强化试验7.5特殊环境和极限条件下的可靠性试验7.1概述7.1.1可靠性试验的定义和目的产品可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。汽车在使用过程中承受多种负荷,评价车辆各个单元在这些负荷作用下和规定时间内是否完成目标功能的过程,称为汽车可靠性试验。对汽车产品进行可靠性预测和可靠性验证,可发现汽车产品质量中存在的问题,以便及时采取措施进行改进。在汽车产品设计、制造和试用的各个阶段可能都需要进行可靠性试验。可靠性试验数据可由室内台架试验或整车可靠性行驶试验获得。室内台架试验可以严格控制试件载荷的加载情况,数据准确,重复性好,可在产品设计过程中及时发现设计缺陷。整车可靠性行驶试验更接近产品的实际使用情况,一般用于整车设计完成后的车辆定型试验,但受试验条件所限,试验样车数量不能太大。7.1.2汽车可靠性试验分类汽车可靠性试验按试验方法的不同可分为常规可靠性试验、快速可靠性试验、特殊环境可靠性试验和极限条件可靠性试验。7.1.3汽车可靠性试验故障类型产品在规定的条件下和规定的时间内丧失规定功能的事件称为故障(也称失效)。已经发生但尚未被发现的,或者是维修、拆检过程中发现的故障称为潜在故障。我国《汽车整车产品质量检验评定方法》是按其造成整车致命损伤(人身重大伤亡及汽车严重损坏)的可能性(概率)对故障进行分类的。(1)致命损伤概率接近1的故障称为致命故障;(2)致命损伤概率接近0.5的故障称为严重故障;(3)致命损伤概率接近0.1的故障称为一般故障;(4)致命损伤概率接近0的故障称为轻微故障或安全故障。7.2汽车可靠性行驶试验1.试验准备1)试验道路选择可靠性行驶试验主要是车辆在各种路面上行驶,以全面考查其性能。试验用的各种道路及在每种路面上行驶的里程数因车型不同,其要求也有所不同。常规可靠性行驶试验规范见表71。2)车辆准备汽车可靠性行驶试验都在性能试验之后进行,而试验汽车的技术状况及装配、调整检查都在性能试验之前进行,因此,进行完基本性能试验的汽车,无须进行检查而直接进行可靠性行驶试验。对于仅进行可靠性行驶试验的汽车,应做如下准备:(1)接到试验样车后,记录试验样车的制造厂名称、牌号、型号、发动机型号、底盘主要总成型号及出厂日期,并为试验样车编排试验序号。(2)检查试验样车各总成、零部件、附件、附属装置及随车工具的装备完整性,紧固件的紧固程度,各总成润滑油(脂)及各润滑部位的润滑状况与密封状况,并使其符合GB7258—2017《机动车运行安全技术条件》的有关规定。(3)检查蓄电池电压、点火提前角、风扇皮带张力、发动机汽缸压力、喷油泵齿条最大行程、发动机怠速转速、制动踏板与离合器踏板的自由行程、转向自由行程、轮毂轴承松紧程度、转向轮最大转角、轮胎气压,以及制动鼓(盘)与摩擦衬片(块)的间隙等装配、调整状况,使其符合该车技术条件及GB7258—2017《机动车运行安全技术条件》的有关规定。3)试验仪器设备在汽车可靠性行驶试验中,除了进行基本性能试验所需仪器外,还需要行驶工况记录仪、排挡分析仪、燃油流量计、半导体温度计、发动机转速表、坡度计、路面计、气象仪、秒表、精密测量量具、照相机等,以及特殊试验要求所选定的专用仪器及设备。除做好上述准备工作外,还应准备好各种汽车备件、维修用的工具及人员的救护工作等。2.试验方法可靠性行驶试验因车型及用途不同,试验方法和要求也不相同。常规可靠性行驶试验按国家标准GB/T12678—1990《汽车可靠性行驶试验方法》执行,试车场内快速可靠性试验按各试验场标准执行。1)可靠性行驶试验中的驾驶操作(1)在确保安全的前提下,尽可能调整行驶,同时避开不符合要求的异常路况,以免使试验车受非正常冲击挤压,造成零部件非正常损坏。(2)试验中要正确选择挡位,不能空挡滑行。(3)每100km内至少应有2次原地起步连续换挡加速,1次倒挡行车200m,至少制动2次。(4)下坡行驶采用行车制动和发动机排气制动,发动机不能熄火。(5)在城市道路行驶时,每1km要制动1次。(6)在山区道路行驶时,每100km至少进行1次起步、停车。夜间行驶里程不少于试验里程的10%。2)试验中的故障判断与处理汽车出现故障时,一般凭感官判断;对于不能凭感官判断的故障,可借助仪器测试判断。通常通过接车检查、停车检查(每行驶100km停车检查1次)、行驶中检查、每天收车后检查、定期维护检查、性能测试、汽车拆检等方法发现车辆故障。当发现故障时,应立即查明原因并维修;如果发现的故障不影响正常行驶及车辆基本性能,并且不会诱发其他故障,可以继续行驶,到认为需要维修时再停车维修,故障的级别以最严重时为准。试验中,对故障发生次数、种类、时间、维修情况等进行如实记录。3)试验中的汽车维修(1)预防维修。预防维修是指为预防发生故障而安排的强制性维护和修理,包括对各总成、零部件进行紧固、调整、润滑、清洗及更换易损件等。(2)故障后维修。故障后维修是指故障发生后进行的维修,维修范围仅限于与故障有直接关系的部位。应根据具体情况,采取最快、最经济的维修方式,其中包括更换零部件。试验中要进行故障维修记录,包括总成名称、故障里程、故障现象描述、故障原因分析、故障后果、处理措施、故障停车时间、维修用时、费用等。(3)试验中汽车性能测试。除特殊要求外,在可靠性行驶试验初期和结束后各进行一次发动机外特性测试及汽车性能测试,以确定试验汽车经过规定里程的可靠性行驶试验后性能指标是否达到设计的要求或国家规定的限值,以及其性能的稳定程度。检测内容通常包括动力性、燃料经济性、制动性、排放、噪声、操纵稳定性、平顺性及车身密封性等。(4)检验结束后汽车的拆检。3.试验数据处理1)行驶工况统计可靠性行驶试验中,每日每班填写行车记录卡,试验员依据试验驾驶员填写的行车记录卡定期统计有关试验参数,包括实际行驶里程、平均技术车速、变速器各排挡使用次数及里程,或时间的占有比例、制动次数和时间等。上述项目可依据试验要求进行相应增减。2)故障统计可靠性行驶试验中,当日发生的故障应详细地填写在行车记录卡上,故障描述要真实详尽,并记录故障发生时间、里程、故障现象、故障判别及故障排除措施等,以备试验员能够将故障真实地反映在试验报告上。试验中定期将行车记录卡上填写的故障按单车发现故障的里程顺序统计于故障统计表中,故障种类栏目中应填写“本质故障”或“误用故障”。“本质故障”为试验汽车正常试验状态下产生的,是试验车辆本身潜在的、非人为故障。“误用故障”为试验汽车在可靠性行驶试验中,因使用、维护、维修等未按规定执行而出现的故障,属于人为故障。故障统计中,只考虑“本质故障”,“误用故障”不计入故障数。同一里程中不同零件发生时应分别进行统计,分别计入故障频次;同一零件同一里程出现不同故障时也分别统计,分别计入故障频次;如果同一零件发生几处模式相同的,则只统计一次故障,故障类别按最严重的统计。3)汽车可靠性评价指标及其计算方法(1)平均首次故障里程(MTTFF):指汽车出厂后无须维修而能够持续工作的平均里程,即(2)平均故障间隔里程(MTBF):按指数分布进行计算,即平均故障间隔里程置信下限值(MTBF)L为平均故障间隔里程置信下限值也可通过查表得到系数δ,然后按下式计算得到。(3)当量故障数γD:(4)当量故障率λD:(5)千公里维修时间MTm:(6)千公里维修费用MC:(7)有效度A:产品在规定的使用与维修条件下,任意时刻维持其规定功能的概率。作为可维修系统的试验汽车,通常用有效度对其进行最终的综合评价,其计算式为4)威布尔分布的应用汽车零件在工作过程中不断承受交变载荷的作用,汽车零件的疲劳寿命是一个随机变量,一般服从于对数正态分布和威布尔分布。因此威布尔分布在研究汽车零件方面获得了广泛应用。对于不可维修产品,威布尔分布函数是应用最为广泛的可靠度函数,因为它具有很好的兼容性。在实际工程问题中累积故障概率F(t)、可靠度函数R(t)和概率密度函数f(t)可以简化为在汽车零部件可靠性试验数据处理中,除非确知属于某种分布,一般都采用威布尔分布,并常用以下几个寿命值来评价产品的可靠性。(1)B10寿命:累积故障概率F(t)=10%时的寿命。(2)特征寿命:可靠度为36.8%时的寿命。(3)中位寿命:可靠度为50%时的寿命,也称B50寿命。威布尔分布的应用如下:(1)零部件可靠性评价。用威布尔分布来评价汽车零部件的可靠性,目前已得到广泛应用。此外,额定寿命水平的可靠度也十分有用。形状参数表征寿命分布的性质。(2)整车首次故障里程统计。汽车、发动机等复杂系统的首次里程或时间也可以用威布尔分布来统计分析。(3)可靠性改进效果评价。将改进前后的两组试验数据画在同一张威布尔概率纸上,能够很明显地看出改进的效果,如图71所示。改进后的数据都在原设计数据惯例线的右侧。其中,B10寿命改变系数为210h可靠度为由此可见,新设计比老设计有明显的改进。改良系数,以B10寿命记为2.1,以210h可靠度记为2.05。(4)确定快速试验的快速系数。对于某车型,同批后钢板弹簧在海南试验场进行快速可靠性试验与在其他地区某用户实际使用的失效数据进行分析,若用两组数据的B10寿命比较,可计算出试验场和用户之间的快速系数K:7.3汽车可靠性室内试验7.3.1程序疲劳试验1.载荷级数的确定目前还无法实现用累积频次图上的曲线连续加载,因此将连续的曲线改成阶梯形,便于程序控制的实现。对于扩展的载荷幅值累积频次曲线要进行分级,以得出试验程序载荷谱。对于概括同一累积频次曲线分成不同的加载级数进行程序疲劳试验所得到的疲劳寿命并不完全一致,这说明载荷级数对疲劳寿命有影响。对于同一载荷累积频次曲线,一般可以编成4~16级载荷谱。2.试验周期的确定试验周期是零部件在使用寿命期间内载荷程序的重复次数。车辆一个周期约为15万公里。程序疲劳试验中,加载次序对疲劳寿命试验结果是有影响的,为了减少这种影响,需要对编制的载荷程序多次重复。重复次数一般选择μ=10~20次。3.低载荷级的略去为节省试验时间,可忽略低幅工况对疲劳的影响。略去s/σ<1.75的应力级对试件的疲劳寿命没有影响或影响很小。因此,7、8两个载荷级可以略去,可节省时间90%左右。4.加载次序的确定不同的加载次序对试验结果影响很大,高—低次序的试验疲劳寿命最低,低—高次序的试验疲劳寿命最高,而低—高—低和高—低—高次序的试验疲劳寿命介于前面两个寿命之间,且比较接近于随机加载的情况,所以实际中常选用低—高—低的加载次序。加载次序阶梯图如图73所示。7.3.2随机载荷的复现试验1.复现试验将随机载荷的试验从室外改到室内进行复现,称为复现试验。复现试验可与实际情况非常符合,有助于寻找零部件损坏的原因,分析薄弱环节,为产品设计提供依据;便于对试验对象进行系统识别,分析系统的动力特性;可人为地施加各种随机输入,来测定动态特性;可节省人力、物力和大量的时间。2.复现的等价条件对一个随机载荷振动需要从三方面进行数学描述,即幅值域描述、时间域描述、频率域描述。若在室内振动复现台上要实现随机振动X台(t)与产品在真实环境中的随机振动X实(t)的统计特征一致,则复现台与产品的环境相等价。7.4汽车可靠性强化试验7.4.1可靠性强化试验理论RET是考核汽车产品可靠性的基本试验方法,是汽车在比正常使用环境苛刻的条件下进行的寿命试验。同时,需根据加速寿命模型和强化试验的结果来推算正常使用条件下汽车的使用寿命。进行RET的理想时间是在设计周期的末期,此时设计、材料、元器件和工艺等都准备就绪,而生产尚未开始。RET施加预定的环境应力和工作应力,从小量级开始,然后逐步增加直至达到目的。RET技术的理论依据是故障物理学,将故障或失效当作研究的主要对象,通过发现、研究和根治故障来达到提高可靠性的目的。1.RET的基本原理1)应力与寿命的关系根据强度理论,疲劳曲线在其有限寿命范围内的曲线方程为2)温度与寿命的关系温度循环属热疲劳,不同温度变化率与循环次数之间的关系见表73。2.工作极限和破坏极限产品的工作极限是指施加时能引起产品故障,去除后能恢复正常工作的环境应力。产品的破坏极限是指产品出现永久性“硬”故障相对应的应力点。产品的破坏极限通过步进应力试验得到。通常施加处于正常工作范围内的应力,若出现故障,则对产品进行分解并分析、归类故障模式;若未出现故障,则进行下一步。逐步将单一或组合应力增大,直到出现下述三种情况之一时终止试验。(1)全部零件失效;(2)应力等级已经达到远超过为验证耐用产品设计所要求的水平;(3)随着以更高的应力等级引入新的失效机理,不相关的失效开始出现。3.试验剖面在进行可靠性强化试验之前,必须合理确定试验剖面。试验剖面包括应力类型的选择、应力量级、试验时间和应力施加的顺序等。4.测试设备测试设备包括快速检测受试产品失效的仪器、测量温度应力和振动应力的传感器等。在进行可靠性强化试验时,必须通过测试设备进行检测,以保证环境应力施加的准确性以及故障信息出现的及时性。5.试验设备MVE/Hanse等公司开发的可靠性强化试验设备采用气锤反复冲击式激振和液氮制冷方式,可产生宽带全轴(3轴6自由度)随机振动激励,并具有大温变率试验能力。Entela公司推出的加速试验设备FMVTmachine仍采用气锤激振器,但原理不同。FMVTmachine设备的6自由度振动是可重复和控制的,能改变能量等级、低频带能量大小,在某些情况下可控制频谱形状。在我国,国防科技大学可靠性实验室和北京航空航天大学可靠性工程中心引进了相关的可靠性强化试验设备,能够实现3轴6自由度随机振动和大温变率(60℃/min)循环试