重型卡車金屬結構件可靠性指標分配與關聯方法研究

范禪金，許彪，種暉

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

汽車行業的不斷發展對汽車零部件的可靠性提出了更高的要求，特別是對重型汽車，可靠性直接影響用戶運營安全與效益，同時也影響企業的品牌形象。可靠性貫穿于商用車整車設計、制造、驗證、評價等各方面，整車可靠性由零部件的可靠性保證，開展零部件可靠性設計方法研究顯得尤為重要。目前國內已對可靠性進行了一定研究并制定了可靠性評價標準體系[1]。國外對可靠性研究較早，已經建立了從產品開發過程到產品維修數據的全生命周期可靠性數據管理，積累了大量數據，形成了系統且完善的可靠性設計流程與管理體系[2]。可靠性指標的分配與轉化是零部件可靠性設計過程中的關鍵環節，本文聚焦于可靠性指標基本概念、指標分配方法及指標關聯方法，為零件可靠性的后續設計提供一定基礎。

1 可靠性概念

從基本概念上講，其定義為：產品在規定的條件下和規定的時間（里程）內，完成規定功能的能力。該定義明確了可靠性開發的基本要素：規定條件（工況）、規定時間（考察點）、規定功能（功能定義）、能力（規定條件下完成規定功能的程度）。

2 可靠性指標

汽車的可靠性水平需要用可靠性指標來進行量化評價，評價其能夠多大程度地在規定的條件下實現其規定功能。本文主要利用可靠度、不可靠度、故障概率密度、平均故障間隔里程等概念進行汽車可靠性指標評價。

2.1 可靠度

可靠度是用來描述產品在特定時間內完成規定功能的概率，系統有較高的可靠度，其運行時間或里程就越長，可靠度是一種概率度量。

可靠度的取值范圍：

可靠度指標一般用于整車壽命評價，例如，B10 壽命。

2.2 不可靠度

不可靠度能夠體現產品喪失功能的概率，系統有較高的不可靠度，其運行時間或里程就越短，也是衡量產品可靠性的指標之一。

不可靠度的取值范圍：

不可靠度有時稱為故障分布函數，即在規定的條件下，在某一時刻或里程發生故障的累積概率。可靠度與不可靠度的關系：

2.3 故障概率密度

故障概率密度是指單位時間或里程內發生故障的概率，用來描述故障分布的形態，若故障分布函數是連續可導的，其關系式為：

2.4 平均故障間隔里程

除了可靠度以外，平均故障間隔里程（MTBF）通常作為整車或系統的可靠性指標，相鄰故障間隔的平均里程稱為平均故障間隔里程[3]。對于非長壽命且非關鍵件通常使用MTBF 進行指標的分配。

3 可靠性常用分布模型

因車輛的故障里程是隨機變量，其數值范圍通常服從一定的統計分布。常用的分布模型有正態分布、指數分布、威布爾分布等，其對應的故障概率密度函數、可靠度函數、故障率表達式如圖1 所示。

圖1 可靠性常用分布模型[4]

4 零部件可靠性指標分配方法

在可靠性正向開發流程中，零部件可靠性指標由整車自上而下分配得到。以某重型卡車懸架推力桿為例介紹可靠性指標分配方法在產品可靠性開發中的應用。懸架系統由包括推力桿在內的多個零件組成，只要其中一個零件發生故障，則系統發生故障。系統與各零件的關系可用串聯模型描述。其懸架系統可靠性框圖如圖2 所示，其對應的數學表達形式如式（5）所示。

圖2 串聯模型可靠性框圖

假設懸架系統與各零件服從指數分布（里程可靠性指標的分配即為確定分布參數），其故障概率密度函數表達式為：

懸架系統可靠度函數和平均故障間隔里程（由唯一分布參數λs確定）為：

因懸架系統與各零件服從指數分布，且為串聯模型，故系統與各零件的可靠度關系式為：

將式（7）代入式（9），進一步得到：

其中，λs和λi分別為懸架系統和各零件的指數分布參數。

若沒有約束條件，式（10）有無數個解。考慮到相似產品的設計具有繼承性，可采用等比例分配法確定新開發零件的MTBF。基于當前可靠性水平，將懸架系統的每個零件按照等比例進行分配，則每個零件新的分布參數為：

將懸架系統可靠性提升幅度及當前推力桿分布參數代入式（11），即可得到推力桿新的指數分布參數，進一步得到其MTBF 提升指標。

5 里程可靠性指標與疲勞壽命指標的關聯

完成里程可靠性指標分配后，為了便于進一步進行可靠性設計，需將里程可靠性指標轉化為疲勞壽命指標，即進行兩者的關聯。

將推力桿載荷譜數據進行雨流計數及等效處理，得到如圖3 所示的譜塊。該譜塊具有里程和載荷分布信息。假設推力桿分配所得MTBF 為L，譜塊對應里程為l，則推力桿的疲勞壽命K 為：

式（12）表示該推力桿在特定譜塊下的循環周次為K。譜塊和疲勞壽命K 作為輸入，用于后續的可靠性設計。

圖3 基于雨流計數處理的譜塊

6 結論與展望

本文以某重型卡車懸架推力桿為研究對象，研究了可靠性指標的分配方法，以及里程可靠性指標與疲勞壽命指標的關聯模型，為后續的可靠性設計提供了輸入。本文提出的方法對重型卡車及其零件的可靠性設計具有借鑒意義，但重型卡車是一個復雜裝備系統，不同零部件特性亦有差異。可靠性指標設定與分配方法仍需進一步優化，以反映不同零部件的差異性，提高指標分配的合理性。