基于可靠度優化扭轉梁系統開發成本

韋仲寧，萬茂林

(廣州小鵬汽車科技有限公司汽車技術中心，廣東廣州 510640)

0 引言

耐久性試驗是轎車開發過程中的一個重要環節，然而制造樣車和設計驗證會消耗大量的人力、物力和財力。設計驗證與問題暴露經過了3個階段的發展，第一階段：在90年代早期，各大汽車公司通過增加設計員與產品工程師之間的面對面交流，來增強聯合解決問題的能力。他們在第一輪樣車階段就找出并更正了40%的問題，在工裝樣車階段解決75%問題[1]；第二階段：隨著CAD、CAM與CAE等技術的飛速發展，第一輪樣車階段能夠發現并更正大約55%的問題，在工裝樣車階段大約為90%；第三階段：運用虛擬試驗技術，在設計階段就可以發現并解決60%的問題，在第一次樣車階段發現并更正大約85%的問題，在工裝樣車階段解決95%問題，如圖1所示。

新車型開發過程中，各系統或零部件的試驗技術規范主要是根據以往的平臺項目經驗或其他廠家數據編制制定的，在沿用過程中會導致一些零部件過度設計而浪費成本，有些安全件的設計未達到要求，從而影響整車的使用壽命及口碑，在市場競爭中丟失市場份額。為達到既定的應用功能和要求，在開發過程中需要應用可靠度、置信度來平衡零部件、系統總成、整車成本、質量、開發周期等因素，如圖2所示。

圖1 汽車3個階段解決問題比例

圖2 制約可靠度因素

本文作者基于整車可靠度分解，分別從零部件試驗、系統試驗以及整車試驗進行試驗成本分析，評估降低成本、優化試驗樣本量應該重點把控的環節。

1 可靠性理論

1.1 系統可靠度

文中的系統可靠度指的是系統在規定時間內完成整車功能的概率?？梢园哑囌嚥鸾獬扇舾蓚€不同的系統，再把不同系統拆分成不同零件或組件進行研究。

1.2 整車分解

在汽車可靠度分配過程中，由于其零件規模巨大且相互聯系，必須建立統一的可靠性要求。目前行業主流方法是置信度統一，專注于可靠度的提升，置信度推薦參考C50或C70。

在保證整車置信度統一的條件下，汽車產品的可靠度還遵循兩點分配原則，其可靠性分配流程如圖3所示。

(1)層次清晰：元件/零件>子系統/總成>系統/大系統>整車；(2)關注點明確：安全件>法規件>一般件。如：元件/零件(R99C50)>子系統/總成(R95C50)>系統/大系統(R95C50)>整車(R90C50)；安全件(R99.8C50)>法規件(R99.5C50)>一般件(R99C50)。

圖3 可靠性分配流程

在確定各系統的可靠性指標后，基于指標要求開展系統及零部件開發，從而避免產品過設計或不滿足設計[3]。

2 成本分析

2.1 等效解析

虛擬仿真分析是汽車開發的重要環節，通過虛擬CAE仿真分析能夠在設計早期發現很多耐久性問題并加以修正，并且能大大縮短試驗周期，因而得到了廣泛的應用[4]。

企業選擇能覆蓋90%用戶行駛情況的試驗場進行耐久性整車加速試驗，通過六分力、加速度、應變花等方式獲取載荷譜，并通過該載荷譜進行偽損傷分析。

如某車企耐久規范，通過統計用戶使用條件，分析得出覆蓋90%用戶的結果：汽車使用8年或行駛16×104km里程與試驗場耐久工況循環總數6 922次等效。扭轉梁系統1倍壽命的累積偽損傷為0.268，如表1所示。

表1 常規耐久試驗損傷分析

2.2 線性累積損傷

結構在循環載荷作用下，內部產生損傷，需要尋找一個合適的物理量，能夠描述結構受損的嚴重程度。

基本假設：各級交變應力引起的疲勞損傷可以分別計算，然后再線性疊加[2]。

(1)

結構發生斷裂失效時(D=1)，其線性累積損傷值為

(2)

2.3 零部件開發

確定系統可靠度目標之后，根據系統可靠度進一步分解至零部件，并且在CAE分析階段(概念設計)就基于該可靠度要求進行零部件疲勞壽命分析。

汽車零部件的研發需要經過漫長而嚴格的過程，需要大量人員參與，確保每一個過程都順利進行。如果在產品開發中，在零部件試驗或系統試驗期間未提前發現問題，那么在整車試驗過程若發現嚴重的安全隱患問題，量產時間會被推遲。某產品開發流程如圖4所示。

圖4 產品開發流程

圖5所示為在可靠度R99C50要求下，零件壽命倍數與試驗樣本之間的關系曲線。即在R99C50要求下，隨著樣本量的增多，樣本的壽命倍數逐步遞減；樣本量越少，驗證的壽命倍數越多。該曲線斜率證明優化試驗樣本量，應采取3-5個區間樣本量進行試驗。

圖5 壽命倍數與試驗樣本關系

零部件試驗或系統試驗時，在驗證過程中樣本量越多,發現的問題越多，越能保證零件的可靠性[5]。但企業不可能無限制地擴大試驗樣本數量，樣本數量越多,試驗開發成本也越高，而且開發周期的要求也會限制試驗樣本數量。基于偽損傷累積分析，加速耐久試驗100 h等效1倍壽命，每小時的試驗費用為100元，樣件費用2 000元/件，表2是某產品試驗成本的計算方式。

根據該產品R99C50的要求，繪制出試驗樣本量與開發費用之間的關系曲線，如圖6所示。由曲線斜率看出，試驗成本隨樣本量的增加逐步遞增，試驗樣本量在5件之內費用增幅大，分析曲線斜率得出，為控制試驗成本，應使樣本量小于5件。

表2 產品模糊試驗費用計算方法

圖6 該產品在R99C50條件下的樣本量與費用關系

3 扭轉梁案例分析

3.1 扭轉梁系統可靠度

整車統一置信度為C50，整車可靠度目標為R90，某車型在8年或16×104km的系統可靠性分配中，扭轉梁系統指標為R97C50，扭轉梁系統結構如圖7所示。

圖7 扭轉梁系統結構

通過對扭轉梁系統進行可靠性框圖研究，該系統為混聯系統，系統可靠性框圖中包含串聯、并聯和混聯的子系統。首先減震器與螺旋彈簧并聯，制動器總成與輪胎串聯，彈性系統、扭轉梁、輪胎系統串聯成一個總系統，最終得到扭轉梁懸架系統，可靠性框圖如圖8所示[3]。

圖8 扭轉梁懸架系統可靠性框圖

分析可靠性框圖，得出扭轉梁系統下一級各零部件及總成的可靠度要求，如表3所示。

3.2 零件及總成試驗成本分析

(1 )彈簧耐久試驗。加載頻率：1 Hz；試驗行程：325～165 mm；試驗次數：75萬次；彈簧樣本：4條；評價指標：疲勞試驗后未出現斷裂，負荷損失不大于5%、剛度損失不大于5%。

(2)彈簧腐蝕疲勞耐久試驗。加載頻率：1 Hz；試驗行程：325～165 mm；試驗次數：35萬次；彈簧樣本：4條；評價指標：腐蝕鹽溶液，每隔5 min霧狀噴淋1 min；試驗后設計負荷損失不大于5%，剛度損失不大于5%。

(3)減震器總成臺架耐久試驗。加載頻率：高頻11.5 Hz、低頻1.5 Hz；試驗行程：高頻行程ΔL±15 mm、低頻行程ΔL±40 mm；試驗次數：高頻次數350萬次、低頻100萬次；試驗樣本：4件；評價指標：試驗后，阻尼力衰減率不大于25%，復原阻尼力衰減率不大于20%，無卡滯、異響、滲油或漏油等現象。

(4)扭轉梁扭轉疲勞試驗。加載頻率：5 Hz；試驗行程：±45 mm扭轉疲勞或4.5°扭轉疲勞；試驗次數：150萬次±45 mm加載或100萬次4.5°加載；試驗樣本：3件；評價指標：無可見裂紋，無明顯永久變形。

(5)制動器總成駐車制動耐久試驗。加載頻率：1 Hz；試驗行程：卡鉗夾緊和釋放循環；試驗次數：50萬次；試驗樣本：3件；評價指標：滿足夾緊釋放功能，未出現明顯性能衰退。

(6)車輪徑向疲勞試驗。加載頻率：3 Hz；載荷要求：12 500 N；試驗次數：150萬次；試驗樣本：3件；評價指標：

車輪不能繼續承受載荷或車輪任何部位出現裂紋。

試驗開發費用由樣本費、試驗費、樣件郵寄費、出差跟蹤費等費用組成，文中主要對樣件費、試驗費進行模糊估算。但每個零部件及總成的試驗開發費用計算方式不同，文中統一設定疲勞耐久試驗按小時計算，扭轉梁系統各零部件及總成的試驗開發費匯總如表4所示。

表4 零部件耐久開發試驗費估算

3.3 扭轉梁系統試驗成本分析

扭轉梁系統試驗用十二通道試驗臺架，也有主機廠無系統試驗，直接用整車搭載對扭轉梁系統進行驗證。基于等效偽損傷載荷譜，如圖9所示，應用累計損傷理論計算出等幅值±60 mm,加載4.6萬次即可等效1倍壽命。

圖9 等效偽損傷道路譜信號

根據系統R97C50指標，威布爾分析系統3個樣本2.8倍壽命，需要加載12.88萬次。系統臺架根據以下條件進行試驗驗證，扭轉梁懸架系統試驗如圖10所示。加載頻率：1 Hz；試驗行程：±60 mm，左右同時加載(相位差為180°)；試驗次數：循環次數12.88萬次；試驗樣本：3件；評價指標：焊縫或本體開裂≤10 mm，在試驗中若發現橡膠襯套、減震器、彈簧等零部件提前損壞或失效，應及時更換零件。

根據系統試驗每小時2 000元試驗費，樣件費10 100元，計算分析系統耐久試驗開發費用?；赗97C50計算扭轉梁系統開發試驗成本，如表5所示。

圖10 扭轉梁懸架系統試驗

表5 扭轉梁系統耐久開發試驗費估算

當系統樣本量小于等于2件時，零部件及總成開發試驗費約55萬元，大于扭轉梁系統開發試驗費；當系統樣本量大于等于3件時，零部件及總成開發試驗少于系統試驗費用，如圖11所示。

圖11 零部件試驗與系統耐久試驗成本比較

3.4 整車耐久試驗成本分析

企業驗證整車結構耐久，通常采取整車高強耐久試驗標準，表6是某主機廠在某試驗場的高強耐久試驗規范。

有部分主機廠為了節約成本，未進行系統專項試驗，直接用整車高強耐久試驗去驗證各系統結構耐久。在西部墊江試驗場試驗，一輪整車高強耐久試驗費用為15萬元/輛，生產的試驗樣車費用40萬元/輛，分析可靠度、研發費用(試驗費與樣車費)與樣本量的關系，結果如圖12—圖13所示。

表6 高強耐久試驗規范

圖12 可靠度與整車樣本量關系

圖13 試驗開發成本與整車樣本量關系

4 結論

本文作者從可靠度角度，模糊評估驗證扭轉梁系統R97C50指標，零部件及總成試驗開發成本(約55萬元)<扭轉梁系統試驗開發成本(樣本量3件，約64萬元)<整車級驗證扭轉梁系統試驗成本(1 265萬元)，整車級試驗是零件級、系統級試驗成本的20倍左右，不建議用整車級試驗去驗證系統或零部件可靠度。

比較并分析成本數據可知，系統級試驗為2-3個樣本量時，零部件級試驗(約55萬元)與系統級試驗開發成本相差不大(2個樣本約51萬元，3個樣本約64萬元)。在沒有系統臺架的條件下，可以通過提高零部件級可靠度指標，達成節約成本的目的。

在概念設計階段確立零部件可靠度的設計目標，保證整車可靠度指標要求，符合研發費用最優化策略。