第1章 汽车可靠性试验与虚拟样机技术

1.1 汽车可靠性试验研究概述

汽车产品的可靠性是用户最为关心的质量问题之一，其故障的发生率给用户带来了不同程度的损失，因此汽车的可靠性问题已备受关注。与先进国家相比，我国对汽车可靠性的研究起步较晚。

国外对汽车可靠性的研究起步较早，早在20世纪60年代，随着空间科学和宇航技术的发展，对可靠性的研究已经由电子、航空航天、核能等尖端工业部门扩展到了电机及电力系统、机械、动力、土木等一般工业部门。对机械产品，尤其是大批量生产的汽车产品的可靠性研究也已成为重要的研究领域。当时，福特汽车公司就投资几百万美元建立了汽车可靠性研究所作为可靠性试验中心，该中心以底盘系统的试验为主，装备有100台以上的试验设备模拟道路试验数据，利用自动控制器进行加速寿命试验，以测定产品的可靠性。在20世纪70～80年代，在肯尼迪消费者保护政策的支持下，美国对汽车产品提出了大量的产品责任问题。产品责任问题使得汽车制造企业高度重视产品责任预防工作，而可靠性技术正是解决这一问题的重要手段。进入20世纪90年代后，研究人员在汽车零部件的疲劳可靠性方面进行了较深入有效的研究：R. L. Rider介绍了利用疲劳可靠性理论结合零部件的材料特性、几何形状和载荷形式进行零部件设计的方法；Hair N. Agrawal应用ADAMS软件，从疲劳寿命预测的角度分析了汽车车身结构的耐久性。

可靠性设计、可靠性增长、可靠性评价、可靠性管理、失效模式与后果分析（FMECA）等，都在美国和欧洲的汽车行业内得到广泛应用。John Hollenbeck以汽车电子控制模块在汽车上的应用为例，讨论了FMECA技术在汽车产品开发中的准备与实施方法；H. J. Bajaria提出以可靠性、维修性、安全性和人因可靠性为设计目标是满足消费者和政府对汽车产品日益严格要求的有效途径；W. Hanes利用Duane的可靠性增长模型，分析了汽车产品研发期间的可靠性增长规律。正因为各汽车生产厂家对汽车可靠性的高度重视，汽车产品的可靠性水平在这一阶段也取得了很大的发展。比如美国的通用、克莱斯勒，德国的大众及日本丰田的汽车保用期从3个月或6000km提高到12个月或2万km。目前，国外的先进汽车企业越来越重视汽车可靠性问题，并建立了从设计到使用服务的一整套可靠性管理体系，千方百计地提高汽车的可靠性，汽车可靠性已经成为其产品在市场竞争中取胜的最主要因素。

我国汽车工业可靠性研究工作相对而言发展缓慢，真正对汽车产品进行可靠性研究是从20世纪80年代开始的。1983年6月，中国第一汽车制造厂首次举办了汽车可靠性理论学习班，接着在1983年11月中国汽车工业总公司又举办了汽车可靠性基础知识的学习班。1983年8月在天津召开了汽车可靠性工作会议，会议决定开展汽车可靠性理论的课题研究，并且正式颁布了汽车可靠性试验方法、汽车发动机台架耐久性试验方法等国家标准。从1983年到1984年，汽车行业组织了规模空前的汽车可靠性试验，试验车辆数为53辆，试验总里程为36万km。1986年10月召开了汽车可靠性专业委员会第二届年会，会议决定组织人力、物力对汽车可靠性进行深入研究，争取尽快地使汽车可靠性水平有较大的提高。同时拟出了研究内容：汽车故障树、汽车可靠性标准体系、汽车可靠性设计、汽车可靠性增长等。目前，国产载货汽车的平均故障间隔里程（MTBF）约2000～3000km，而国外汽车的MTBF为1万～1.5万km，大型客车差距更大。全国56种车型108辆样车的统检结果显示，平均首次故障里程只有1790.40km，平均故障间隔里程只有1534.09km，累计故障超过100个的有发动机、传动系和电气系统。而国外客车首次故障里程大都在1.5万～2万km，平均故障间隔里程在1万～1.7万km。随着我国实施《汽车产品召回管理规定（草案）》，各厂家对汽车可靠性越来越重视，国家也对各大汽车厂家给予了相应的指导。2002年初，国家经济贸易委员会生产政策司下发了《关于开展汽车产品可靠性试验管理改革研究》文件，要求各大汽车公司建立本企业的可靠性保证体系，特别要对汽车可靠性试验进行研究，进而制订可靠性试验规范。

随着我国汽车工业技术的高速发展和消费者权益保护意识的增强，汽车性能及零部件的可靠性得到业界的广泛重视，并为此开展了深入研究。为了全面提高汽车产品的性能及可靠性水平，在汽车产品研发过程中，不仅要了解汽车系统及其零部件的疲劳失效情况，取得其可靠性资料与数据，还要进行大量的汽车可靠性试验。科学分析可靠性试验结果，能为车辆的设计与研究工作提供可靠、准确且有效的资料数据。通过汽车的可靠性试验研究，分析疲劳失效的原因，制定并采取相关的措施，以达到提高技术水平与车辆质量的目的。

汽车可靠性试验环境是一个复杂、多元的大系统，影响因素众多。随着汽车保有量剧增，可靠性试验方法的研究已成为国内外研究的热点。为了提高汽车产品的可靠性水平，了解总成、零部件的失效情况，获得其可靠性数据、资料，必须进行大量的零部件、总成及整车的可靠性试验。按照一定的试验方法进行可靠性试验，对试验结果进行科学的分析，从而为汽车产品的研究、设计提供准确有效的可靠性数据资料。通过可靠性试验对失效样品进行分析，找出其失效的原因和薄弱环节，采取相应的对策、措施，以达到提高汽车产品的可靠性目的。本书的研究成果将具有重要的学术意义及应用前景，主要体现在以下十个方面：

1）应用ADAMS软件建立完整的悬架系统模型，对悬架特性参数进行优化计算。优化结果应能从实际应用角度出发改善悬架系统性能，从而提高操纵稳定性与行驶平顺性。

2）利用Matlab/Simulink模块建立横摆角速度神经网络阻尼控制模型，通过控制悬架阻尼来抑制汽车过度转向行为，改善操纵稳定性。

3）利用ADAMS模板化建模方法建立整车模型，并对操纵稳定性和平顺性进行仿真分析，将仿真与试验结果进行对比，以验证模型正确性，为深入研究整车性能奠定基础。

4）对比分析试验场耐久路、高速公路、城市路面以及一般公路试验车辆和对标车辆的疲劳损伤特性，为试验车辆质量改进提供有效数据。

5）应用雨流计数法准确测定可靠性试验数据，使施加于车辆的载荷更接近各种典型路面的实际工况。

6）根据疲劳累积损伤相等原理建立用户典型路面和试验场耐久路的相关数学模型，采集用户典型路面和试验场数据，优化计算可靠性试验工况与方法，为汽车可靠性试验方法的实际应用提供方案和具体的实施流程。

7）提出数字化试验场三维可靠性试验路面的构建方法，建立典型的数字化试验场可靠性数字路面。

8）通过虚拟用户和试验场载荷时间历程数据转化为各级幅值的载荷循环的等载荷谱试验，验证试验场可靠性相关试验方法的可行性。

9）针对传统的汽车试验场可靠性试验存在的问题，提出了一种汽车可靠性试验新方法，该方法从试验场试验与可靠性仿真试验不同的优良性出发，结合可靠性仿真试验与试验场可靠性相关试验方法，建立试验场与可靠性仿真试验相结合数学模型。

10）通过山区典型公路和90%用户累积能量的相关性计算，获得山区公路的强化系数和可靠性试验方法。