1.2 汽车可靠性研究相关技术和方法

1.2.1 车辆虚拟样机仿真

传统的产品开发过程一般需经过概念设计、方案设计、细部设计、试验室试验、样机生产、批量生产等诸多阶段，产品上市周期长。设计人员的初期设计仅停留在图纸上，不能预见物理样机加工出来后可能出现的问题。因此，到了产品的试验阶段，许多未发现的问题被暴露出来。设计人员进行改进后，再重新加工，重复上述的过程。从设计、试制、试验、改进到最后的投产，花费了大量的人力、物力和财力，但结果却不能尽如人意。这与现代市场对产品的需求很不适应，如何提高初次设计的成功率是传统设计方法面临的一个难题。

虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法。这种开发技术以计算机仿真和建模为依托，融合了智能化设计技术、并行工程、仿真工程和网络技术等，其最终目标是在产品的物理样机制造加工前对产品的使用性能、可制造性等进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品的最优化。虚拟样机技术应用在产品的设计和开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术结合在一起，在计算机上建立产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计，提高产品的性能。它能在产品开发设计阶段对模拟样机进行数值仿真与结构优化、缩短设计周期、降低设计成本、在物理样机产生之前预先评估设计质量和功效，是现代机械设计系统和设计技术的关键。

虚拟产品开发与现实产品开发有一定的对应性，虚拟样机的设计方法与传统的设计方法相比具有以下优点：虚拟产品开发消耗物质资源和能源很少，可以在设计的初期确定关键的设计参数，在产品投产前对产品的实现方案进行评估和优化，提高了产品实现的可行性和初次设计图样的一次有效率。由于大大简化了物理测试试验的过程，可以大幅度降低产品的开发成本。虚拟样机的设计方法比传统的设计方法缩短了产品上市周期，提高了产品的质量，节省了研发费用。虚拟样机技术问世后，得到了科研机构和众多厂家的高度重视，并将虚拟样机技术引入到各自的产品开发设计中，取得了很好的经济效益。

1.2.2 VPG技术

随着车辆仿真计算内容的不断深入发展，数字化试验场（Virtual Proving Ground，VPG）的概念也应运而生。目前，国际上有关VPG的技术正在发展中，ETA公司推出了其商业软件VPG，提供了标准典型的路面模型，如交替摆动路面、槽形路、鹅卵石路、大扭曲路、波纹路、搓板路等。英国MIRA汽车试验场正式宣布建立了MIRA VPG。但这些都是在国外道路情况的基础上得到的，不可能在国内找到相对应的试验路面。由于不同国家的路面条件和汽车的使用条件各不相同，研究建立适合我国汽车试验场的数字化试验场才有实际意义。

由于路面种类繁多，汽车试验场成为进行汽车各类性能试验的必要场所。同样，在车辆性能仿真计算中，只有建立了包含各种路面的数据库，才能使汽车仿真计算的内容更为丰富。可以说，路面的种类决定了整车计算的内容。平整的路面可用于汽车操纵稳定性能的仿真分析；不同等级的路面可用于汽车行驶平顺性的计算分析；比利时路与搓板路等可靠性行驶试验路面可用于对关键零部件进行疲劳性能的分析。

每一种新开发的车型都需要进行大量的道路试验，为此所耗费的人力与经费都非常可观。随着计算机技术的快速发展，国外大公司已经使用仿真计算手段进行相关的研究。在汽车设计的初期，通过在数字化试验场中对汽车可靠性进行分析，从而缩短设计周期，提高设计质量，降低研发成本。从分析内容方面讲，VPG计算技术分析内容是多样化的。一个分析模型可以进行疲劳寿命计算、振动噪声分析计算、车辆碰撞历程仿真、碰撞时乘员安全保护等多种结构非线性分析。同时还可以进行整车非线性运动学和动力学计算，用来进行整车舒适性、高速行驶性能和操纵稳定性研究。

1）在整车分析中，避免了传统计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）分析部件间受力关系难以确定的困难，如在车身随机响应疲劳分析中，避免了分析者必须通过样车试验确定悬架支点对车身作用力谱，再对这些作用力谱滤波、强化、数字化和对车身支点施加谱载荷谱表等一系列复杂工作（对车身谱分析而言）。对悬架转向系统运动学和动力学分析而言，不必将车身简化为刚体，车身对悬架转向系统的弹性和非线性变形影响可真实计入计算分析中，从而提高了分析精度。

2）以整车为分析对象，边界条件只有路面和车速。这样分析载荷实现了规范化、标准化，使计算结果更加真实准确，可比性提高。因为路面载荷数据库是全面和权威的（如美国独立的汽车试验场MGA路面库），也可以是本公司使用的自行考核试验路面，分析结果更加真实可信。

3）计算是高度非线性分析，分析中包含了结构非线性因素、车身支撑和发动机支撑等橡胶连接件的非线性因素、悬架转向系统连接和缓冲件的非线性因素、车轮轮胎的非线性因素、轮胎和地面接触条件等。因此分析结果中几乎排除了传统CAE技术分析时常使用的人为假定，大幅度提高计算精度。

4）在振动噪声分析中，由于模型有非常大的自由度，析出的振动频率可不受限制，完全可以得到噪声、振动与声振粗糙度（Noise，Vibration、Harshness，NVH）分析要求的250Hz内的频率模态，NVH分析评价更加全面。

5）整车高速行驶性能、转向稳定性能计算也不再受制于传统计算方法中自由度数量，可同时考虑车身结构变形影响，使计算结果精度提高。

1.2.3 模型构建

在进行整车建模时，采用的多体动力学软件平台是ADAMS，ADAMS软件由众多模块组成，其核心的产品是ADAMS/View和ADAMS/Solver，并针对汽车领域建模开发有专用模块ADAMS/Car。ADAMS软件也有不足之处，在ADAMS软件中进行整车计算时可利用的路面较少，特别是没有与试验场相关的路面。而数字化试验场技术对整车仿真有重要的意义，是目前车辆仿真领域研究的热点。

1.2.4 可靠性试验

汽车结构强度与寿命试验是最费时间、人力和物力的，为提高产品可靠性而进行的有关产品的失效及失效效应的试验都可以称为可靠性试验。在汽车产品研制、生产的各个阶段，随着试验目的、要求和试验对象的变化，可靠性试验的类型很多，试验人员应能做出不同的选择，能从不同的角度来考虑可靠性试验方法的分类，汽车可靠性试验分类如图1.1所示。

汽车可靠性试验按试验场所可以分为现场试验、试验场试验及实验室试验，如图1.2所示。三种试验方法各有优缺点。现场试验就是按照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、投入的人力较多，试验周期长。这种试验主要是以汽车整车的可靠性为主，也包括一些重要总成的可靠性试验，是一种综合性的可靠性试验。另外，由于用户使用的试验场所范围广，使用情况复杂多变，不确定因素较多，试验的重复性相对差些，事先必须有完善的试验计划。开发一种新车型至少要进行两次现场试验，一次在设计定型前，一次在投产后，每次试验的持续时间和里程应相当于在用户手中3～5年的实际使用期。

整车可靠性试验需要在一定的路面条件下进行，从而取得可靠性试验数据，这种试验可以在试验场进行，也可以在实际道路上进行。在实际道路试验时，车上一般装有记录负荷、应力、速度、温度的仪器，气温、气压、风速、里程、燃油和润滑油的记录装置或传感器。现场试验时，挑选试验的路面一般可分为：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，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。现场试验与试验场试验各有其优缺点。现场试验的优点在于真实地再现了用户的使用条件，其试验数据真实、可信。缺点是耗资巨大，试验人员辛苦，试验周期长，难以寻找合适的试验环境，工作不方便，不利于损坏件的维修、更换和试验资料的整理，缺乏安全保障。试验场试验的优点在于工作方便，各种试验条件集于一处，试验条件较稳定，参数和各种影响因素易于分辨和隔离，适宜有针对性地解决问题；缺点是汽车试验场的试验条件与汽车使用地区的条件不尽相同，难以很真实地模拟用户实际的使用情况，初期投资规模大。因此，研究试验场与用户关联的可靠性试验方法是一项亟待解决的难题。

1.2.5 强化试验

汽车道路试验是考核和评价汽车质量的最终技术措施和手段，而汽车试验场则是专供汽车进行道路试验用的场所。汽车试验场按其功能一般可分为专用汽车试验场和商用汽车试验场。专用汽车试验场通常隶属于某大型汽车生产厂家，其主要功能是为本公司汽车新产品的开发、新车定型及产品质量控制提供试验手段；商用汽车试验场则向全社会开放，为各类客户提供全方位的汽车道路试验条件和技术服务，并侧重于安全、公害、商检等法规性试验和产品定型试验。

汽车试验场的主要设施是人工模拟各种试车道路，具体路面分类如图1.3所示。

1）直线车道：测量汽车最高车速、汽车换档加速时间、滑行距离、高速制动。

2）弯曲车道：试验汽车转向系统、承载系统的可靠性，考核汽车的操纵稳定性能。

3）高速环形车道：检查汽车传动系统可靠性，包括发动机、变速器、冷却系统、润滑系统、燃油经济性以及轮胎高速运行条件下的寿命。

4）试验广场：用于稳态转向试验，通常用喷水法来检查汽车的不足转向特性和轮胎的侧滑车速。

5）特殊坏路：是一种破坏性路面，包括凹凸不平的石块路、扭曲路、搓板路，用以考验悬架和承载系统。

6）特殊环境：人为制造水槽、泥泞、灰尘洞考察汽车在特殊环境下的运行能力。

7）越野场地：设有各种障碍的自然田块，考察各种军车的越野能力。

8）风洞试验：测量汽车外形的风阻系数及空气动力特性。

9）标淮陡坡：测验汽车的爬坡能力和驻坡能力。

汽车试验场建有各种路面，在给定比一般公路更恶劣的行驶工况下，采用增加工作应力的方法加速零部件失效，试验条件有所强化，以缩短试验时间，并且可以得到比实际使用试验更稳定的试验数据。此外，可以通过人工制造实际上几乎不存在的特殊条件，考核汽车的极限状况。因此汽车试验场的建成和使用，大大促进了我国汽车可靠性试验工作的开展，提高了汽车可靠性试验速度和工作质量，缩短了产品的研发周期。汽车在汽车试验场内进行的可靠性试验是可靠性强化试验的一种，可靠性强化试验主要分为三种：

1）增大负荷法：这里的负荷是广义的概念，它考虑了应力、温度、湿度、压力、振动的影响。

2）浓缩应力法：这种方法不增大（或少增大）零部件承受的载荷，而且尽可能保持实际使用条件中的载荷状况，但将删除对可靠性寿命影响小或无影响的实际载荷，此方法容易保持故障模式的一致性。

3）增加试验样本数法：在保证相同置信度下，这种方法可以有效地缩短试验时间。

国外大型的汽车生产厂家一般都很早就建有自己的汽车试验场，如美国的通用汽车公司早在20世纪20年代就建设了汽车试验场，英国的汽车工业研究协会（MIRA）、日本汽车研究所（JARI）在20世纪40年代也建设了汽车试验场。我国汽车试验场的建设相对要晚，大多在20世纪80～90年代建成投入使用。现已建成使用的汽车试验场有襄樊汽车试验场、海南汽车试验场、解放军总装备部定远汽车试验场、交通运输部通县汽车试验场及一汽农安汽车试验场。

随着我国汽车试验场的建立，国内车辆产品开发的可靠性行驶试验工作目前已基本完成了由各种类型的公路试验到试验场强化试验的转变。汽车试验场是重现汽车用户使用过程中遇到的各种道路条件和使用条件而进行汽车整车道路试验的场所。为满足汽车的试验要求，汽车试验场将实际存在的各种道路经过集中、浓缩、不失真地强化形成典型化的道路。由于汽车试验在汽车开发过程中处于极为重要的地位，许多汽车企业都投入巨额资金修建大型的汽车综合试验场。车辆在试验场试验道路上行驶时，与实际使用时的道路条件相比较为恶劣，车辆构件上会产生较实际使用时更大的应力载荷。

相对于实际使用工况，汽车在试验场苛刻的试验道路上的行驶试验是一种加速强化试验。汽车强化试验加速系数研究对车辆强化试验规范的制订、强化试验的组织实施及汽车试验场的设计具有十分重要的作用，也是汽车可靠性试验技术研究的关键内容。研究强化试验加速系数，一方面可以缩短汽车可靠性试验周期，降低试验费用，加快车辆产品开发的速度，提高产品的质量与可靠性；另一方面对揭示汽车可修系统故障发生规律有十分重要的理论价值，它可为车辆的维修、保养、更新计划的制订和修改提供理论上的依据。

近年来，我国公路状况有了很大改善，铺装公路和高速公路所占比例越来越大，坏路所占的比例越来越小，汽车平均行驶速度不断提高。海南汽车试验场最早制订了汽车定型可靠性行驶试验规范，到现在已经运行了很多年。国内其他汽车试验场基本上都是在海南汽车试验场定型可靠性行驶试验规范的基础上，根据各汽车试验场的自身特点而制订的，基本沿用了与十几年前国内公路状况相符的道路里程分配。随着我国道路交通条件和车辆使用条件发生较大变化，必须对现行可靠性行驶试验规范进行调整。适当增加可靠性行驶总里程，增加高速公路的比例，增加诸如急加速、变换变速器档位等行驶要求，以达到对传动系统的加速考核作用。汽车在实际使用中是各种道路混合行驶，考虑到各种路面和工况作用的先后次序对结构疲劳寿命有明显影响，为了使汽车在汽车试验场内发生的故障能反映实际行驶情况，同时借鉴福特、雪铁龙及MIRA等在汽车试验场进行可靠性行驶试验的做法，可靠性行驶试验应循环进行。通过分别对汽车试验场的可靠性试验路段进行采样分析，结合产品特点、使用条件、用户需求及产品目标等制订循环方式和总的循环次数。

值得指出的是，上述试验的基础大都偏向于强度试验而不是寿命试验，都是为了保证在最差的工况条件下车辆不发生损坏，且能满足一般的工程要求。显然，这些试验基本上是依据习惯或经验，而没有合理地考虑用户的使用情况，主要是靠推测而不是基于科学的工程原理。依据这些试验标准的可靠性强化试验结果与用户使用情况相差太大，且多以强度试验为主，生产成本高、零部件的后备系数大、资源浪费、缺乏科学依据，有些试验结果与用户的失效模式差别较大。这些经验式试验方法在当时的条件下促进了汽车工业的发展，但现在已经不能满足汽车工业的需要。

现行的汽车可靠性试验规范试验中所暴露出来的故障，在用户可靠性试验中却很多都没有发生，并且由于对该汽车试验场路面相对于目标用户的强化情况没有做过研究，因此对强化试验结果也不能给出科学的产品可靠性指标，这种情况给产品开发带来很大的困扰，所以迫切需要研究制订符合用户使用条件的可靠性强化试验规范及汽车试验场强化路面相对于目标用户使用的强化工况。汽车测试仪器和道路载荷数据采集的发展，使得测量“用户实际是如何使用的”并作为试验规范的制订基础成为可能。通过用户调查确定用户实际使用工况保证用户的B₁₀寿命，在整车上安装传感器，测量用户使用工况和试验场试验工况的汽车输入和响应，按照疲劳损伤原理制订试验规范。试验场试验与用户使用情况的整车输入和主要响应在幅值分布上相同，保证了试验场试验时的整车载荷状态与用户使用时相同，能避免由于材料不同导致的不同零部件的寿命在试验条件下与用户条件下的差异。汽车是弱非线性系统，因此保证了主要的输入和响应的正确性，其载荷也是确定的，还可以满足部分非疲劳失效模式。

在汽车的各种试验中，汽车的可靠性试验是最重要的，对于汽车厂家来说，可靠性试验执行的依据是试验规范。美国通用汽车公司在20世纪80年代专门设置一个部门来研究用户关联可靠性和汽车试验场路面加速系数，由于路面条件的不断变化及车型的更新，该部门根据其研究结果，不断改造试验场路面及改进可靠性试验规范，对用户关联性可靠性的研究积累了一定经验。到目前为止，我国已经制定了一部分整车、总成及零部件在汽车试验场的强化试验规范，但尚无能反映用户使用工况的试验规范。因此研究接近用户使用条件的汽车试验场可靠性试验方法是我国目前亟需解决的课题。