發動機可靠性及耐久性開發試驗驗證方法研究

羅劍坤

（江鈴汽車股份有限公司動力總成開發部 江西 南昌 330003）

引言

發動機可靠性及耐久性是發動機品質的重要評價屬性。可靠性和耐久性雖然在一定程度上都表現為產品的可靠耐用，卻有著不同的概念側重。可靠性更加偏向于在一定設定條件下對樣本量整體的考慮及概率計算，而耐久性更加偏重于樣本量個體的考量，主要評估個體樣本在不同的運行條件下的持久工作能力[1]。

針對該兩個屬性開發，可以通過設定單個耐久試驗的工況運行及多個樣本數量的科學定義從而達到發動機的耐久性及可靠性目標。

本文主要包括了耐久試驗的逐個設計描述和單個耐久試驗在整體驗證計劃設計中樣本量的定義以達到產品可靠性設計需求。

1 發動機臺架耐久試驗

目前江鈴汽車股份有限公司動力總成開發部定義出企業完整的驗證體系。通過對零件及系統的失效模式和運行環境的研究把耐久試驗劃分為高周疲勞、低周疲勞[2]及模擬用戶道路使用循環3 大類別。其中高周疲勞包括了以最大熱負荷輸入、最大爆發壓力輸入、最大振動負載輸入，最大慣性力輸入等熱載荷及機械載荷為主要循環工況的耐久試驗；低周疲勞包括了以極值交替熱負荷、機械負荷的耐久試驗，這兩大類型的耐久試驗是對發動機的硬失效模式去制定的，針對于零件結構設計及材料的強度驗證。而模擬用戶道路使用循環耐久主要是評估由于應力、磨損、腐蝕等的累積效應對發動機各系統及零部件的耐久性考量，除考核發動機硬失效模式外，也考核發動機的軟失效模式，同時可以兼顧到評估機油的保養時間及里程等。

本文規定硬失效屬于發動機重要結構及運動件（5C）失效導致需要解體更換修復，而軟失效定義為功能性下降但不喪失（比如密封不良、動力下降等）。

1.1 耐久試驗類型體系

耐久試驗類型體系如圖1 所示。

圖1 耐久試驗類型體系

1.2 高周疲勞

該類型耐久試驗以高周疲勞耐久試驗和振動耐久試驗為代表，理論依據為以發動機點火循環及共振為激勵計數，選取代表最大熱負荷、機械負荷及共振轉速為工況點設計試驗循環。運行工況設計見圖2、3，每個工況相對獨立，可以任意更改工況運行次序。高周計數以整車路譜分析為主或在無路譜數據的前提下計數建議采用1～1.5×107為宜。

圖2 以點火循環為高周激勵

圖3 以共振次數為高周激勵

1.3 低周疲勞

該類型耐久試驗以常溫、深度熱沖擊及排氣管開裂及EGR 污染循環耐久試驗為代表，理論依據為以發動機重要零部件（缸體、缸蓋、排氣管、EGR 系統等）及密封系統在發動機規定的壽命周期內，指定的溫度變化、周期性污染等交變次數為激勵計數，主要選取代表最大熱負荷工況點及特定工況（EGR 開度最大，最小等）設計試驗循環。運行工況設計見圖4～6，低周計數以整車路譜分析為主。

圖4 以冷卻液出口溫度結合燃燒室溫度的高低溫梯度為低周激勵

圖5 以排氣歧管表面的高低溫梯度為低周激勵

圖6 以高EGR 率為低周激勵

1.4 模擬用戶道路使用循環

該類型耐久試驗主要模擬用戶的穩態及瞬態操作條件下等效發動機在壽命期磨損及應力累積，工況及運行時間設計相對復雜，具體的理論支撐在于典型的路譜分析。根據運行時間的預先估計去定義加權因子，一般來說B10 設計壽命在20～40×104km 的發動機，該類試驗時間可控制在800～1 000 h。其他均可按該比例去定義試驗時間，典型的工況設計如圖7 所示。

圖7 穩態和瞬態模擬整機工況

2 在可靠性設計要求下定義樣本量

樣本量定義一般在全新發動機開發制定基礎上只做減法，意味著在基礎機型上做排放升級或是零部件及系統設計升級時，在其驗證計劃中選取針對變更的條件可能帶來的失效的試驗，所以全新的基礎機型開發的驗證計劃制定非常重要。整個驗證計劃里試驗的樣本量（需要試驗個體的數量）和以上章節論述的試驗（做什么試驗）顯得格外重要，這不僅關乎到驗證計劃的科學性，同時也關乎到發動機的開發周期和成本，這點對企業尤為重要。

2.1 數學理論模型

在產品可靠性分析中，使用較廣泛的就是威布爾分布，它的優點是能利用有限的樣本數據，能夠給出精確的分析和預測結果，并且威布爾分布是研究機械機構可靠性最適合的數學理論[3]。在這里，我們采用2 參數的威布爾分布函數為基礎去制定整個樣本數量，因此假定發動機可靠性函數如下：

式中：α 為尺度參數；β 為形狀參數。

1）首先我們會假設形狀參數β=1，通常在發動機臺架試驗去驗證設計缺陷的時候，我們一般會集中到故障“浴盤”曲線的偶發故障期[4]，因為其故障持續時間較長，且不可預估；

2）尺度參數α 我們會定義估計為

式中：T 為試驗里程（循環次數、km、h）；r 為失效次數。

在C%置信區間內Weibull 尺度參數α 的估計公式可轉換為：

式中：χ2（C ∶2r+2)為C%的自由度為（2r+2)的χ2分布。

以上也就是Nelson 可靠性增長數學模型[5]，根據公式中的定義，可以得出任意目標B10 壽命t 時的可靠度90%的對應理論數據，如下表為設定B10 壽命為24×104km，可靠度在90%時試驗累計需求的試驗里程數5.25×106km。

表1 B10 壽命的失效次數及可靠性

3）從以上分析得知，不同的B10 壽命目標將對應不同的累計試驗里程需求數。

2.2 個體試驗對應里程的理論評估

結合2.1 的分析，確定試驗樣本量較為重要的一環就是單個試驗對應里程的評估，因高周疲勞及低周疲勞的高低周計數均覆蓋了發動機在市場上的全壽命里程，意味著該類試驗均可代表為壽命全里程數。我們只需要評估采用模擬用戶道路使用試驗規范所確認的里程數即可。

1）試驗過程中發動機所受負荷強度

式中：n 為發動機轉速；mf為發動機單位時間燃油消耗量；Li為單位時間的負荷強度；N 為發動機工況個數。

2）負荷強度加權平均值計算

一個完整循環工況下，發動機所承受的負荷強度加權平均值計算公式如下

3）加速因子計算

2 個不同的循環工況下發動機所承受的負載強度加權平均值分別為：LAi和LAj，所對應的車輛行駛里程分別為：Si和Sj。根據加速因子定義[6]可知：

這里需要強調的是，一般我們會采用標準的NEDC[7]輕型國V 排放循環或者WLTC[8]國VI 排放循環去做基準算出設計出來的模擬用戶道路循環的加速因子數值。

4）等效車輛行駛里程計算

若某特定時長耐久試驗i 的總循環數為N，它所等效車輛在某特定行駛工況下的行駛總里程S 計算如下：

5）以下為某個模擬用戶道路使用循環工況試驗所代表的里程數計算值，如表2 所示。

表2 某個模擬用戶道路使用循環工況試驗所代表的里程數計算值

3 發動機開發試驗驗證計劃

結合以上章節的論述，以下為我司針對某個全新發動機項目編制的試驗驗證計劃。該機可靠性目標屬性為B10 壽命24×104km。從累積的里程數值顯示已可以滿足可靠性目標，如表3 所示。

表3 發動機開發試驗驗證計劃

4 結論

本文論述了全新發動機耐久性及可靠性開發試驗驗證的一種解決方法，通過闡述單個耐久試驗工況制定理論及多個耐久試驗的樣本組合理論來詮釋了該類解決方案的試驗體系。本司在某一全新發動機開發中實踐了該試驗體系，并取得了很好的設計驗證效果。