汽车部件机械可靠性试验研究

王灵龙，张子鹏，刘伟

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

汽车部件机械可靠性试验研究

王灵龙，张子鹏，刘伟

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

汽车产品的可靠性在整车及零部件企业中受到的关注日益提高，对试件可靠性方法应投入更多研究。我国习惯采用单一部件满足最低要求的方法作为汽车零部件质量要求，较少采用统计的方式对汽车部件可靠性进行评价。对典型的汽车部件试验结果进行分析，给出了对数正态分布及威布尔分布的分析结果，并针对汽车部件的失效判定、道路谱用于疲劳试验提出了相关建议。

可靠性；汽车零部件；对数正态分布；威布尔分布

0 引言

可靠性是评价一种产品质量好坏的重要指标。对汽车产品而言,其复杂性决定了可靠性的重要程度，近几年汽车企业对可靠性工程有所关注，但可靠性试验作为验证汽车产品可靠性的有效手段没有得到足够的重视和必要的研究[1]。长期以来，汽车部件的可靠性评价大多沿用工程上使用的安全系数或部件合格率的估计方法进行评价，这种确定性的评价方法不能反映其可靠性，应采用概率的方法评价汽车零部件的可靠性，继而建立可靠性管理制度或可靠性数据库来指导生产与验证汽车产品性能并最终提高企业竞争力。

1 关于样品失效的定义及试验结果的分析探讨

断裂失效是经常被用来评价汽车机械零部件可靠性的失效形式，相比这种失效形式，汽车机械部件的过量变形失效应给予必要的关注[1]。使用过程中的汽车产品，当零部件出现过量变形的特征，导致该部件的刚度特性改变，并有可能在使用过程中对整车性能产生影响。根据相关的汽车底盘部件的试验经验及参考金属材料特性，对汽车底盘上使用的铝合金部件的过量变形定义为0.2 mm是适合的，试验过程中此类部件在达到0.2 mm增量变形之前基本会出现不同程度的开裂。对于可靠性试验来讲，虽然试件开裂或断裂比过量变形较易观察，但开裂程度不易界定从而影响试验结果，断裂则需要更多的试验周期而导致试验成本的增加。按过量变形作为失效的界定，失效边界条件统一，试验结果的可比性高。但应注意的是，采用过量变形作为失效条件的试验过程中，应采用稳定的(机械、光)触发手段(参见图1)，对过量变形量要进行实时监控，保证试验设备在达到过量变形限值的时刻停止试验来保证试验精度。

2 应用路谱信号进行的可靠性(疲劳)试验

目前，针对汽车零部件的试验大多是基于常幅稳定交变载荷进行的试验。这种理想的状态与行驶中车辆部件受力状态有明显的区别，车辆在使用过程中构件的应力随时间的变化是极不规则的，按实际受力状态对部件进行可靠性分析更接近于试件的使用状态。这个过程通常采用实测道路谱进行处理后，通过对原始信号的迭代并用来驱动试验设备进行疲劳试验。为保证部件在试验过程中设备可以较好地重复实测载荷对试件进行加载，也就是判断信号的精度，可以按wöhler疲劳理论进行校核。

已知wöhler疲劳等式的系数

Sa=Sf(T)b

其中:Sa为应力幅值；Sf为截取的一个峰峰值对应的应力幅值；T为失效的载荷循环次数；b为斜率(失效强度指数)。

在已知试件所受的载荷及对应的S-N曲线的情况下，可以得到相应的失效循环次数，不同的试验载荷及作用周期次数对应在同一条S-N曲线的情况下，根据累积损伤理论对试件的疲劳影响的结果是可以通过计算得到的。在实际应用中，可以采用试件的载荷状态替代应力状态并按累积损伤理论(如图2所示的S-N曲线)，假设幅值F1出现的次数为n1，那么该载荷在S-N曲线中对应的循环次数为N1,则该段运行信号中载荷F1对零部件的损伤为D1=n1/N1，∑Ni即为所有载荷周期下的损伤程度[1]。试验开始前，对载荷谱通过雨流计数得到所有载荷幅值与其对应的载荷循环次数，可以计算出该信号对试件的损伤结果。同样的方法计算迭代后载荷信号损伤结果并控制在允许的范围之内，就可以使用该信号对样品进行疲劳寿命试验并用于可靠性分析。

3 基于对数正态分布的可靠性评估

对数正态分布(函数曲线见图3)很早就用于疲劳试验，至今仍是材料或零部件寿命的一种主要分布模型，对数正态分布的概率分布函数为：

令μ=(lnx-μ1)/σ1， 那么dx=xσ1dμ，在可靠度计算过程如下所示：

可靠度函数：

其对数均值和对数标准差分别为：

对用于可靠度分析的样本来讲，试验结果的平均试验次数lnN50%即为对数均值：

对数标准差为：

N10%=N50%/e(1.281 6·k·slog)

存在90%的样品失效的概率的循环次数为：

N90%=N50%·e(1.281 6·k·slog)

以上两点(三点)的连线直观描述样品的可靠度，如图4所示。为了观察计算结果的拟合程度，可以将参与计算的样品失效概率点及计算结果在同一坐标系中进行对比。对于参与试验的多件样本，不同的试件失效概率按照ROSSOW公式进行计算：

式中：i为样本失效次数的序数；n为试样数量。针对对数正态分布，有图5所示的某转向节疲劳寿命试验，试验施加载荷按在中值载荷的基础上进行等幅值的正弦周期载荷。试验过程中，按0.2 mm作为最大变形增量进行监控，当达到变形增量设定值时触发设备停机。记录试验次数如下：N1，1 294 482次；N2，1 358 343次；N3，1 100 598次；N4，749 298次；N5，1 174 592次；N6，534 016次；N7，882 045。按上文描述的对数正态分布处理7件样品后得到如图4所示的试验结果，可以直观地得到相应的试验信息。

4 基于威布尔分布的可靠性评估及结果分析

威布尔分布对各种类型试验数据的拟合能力强，应用广泛。威布尔分布最初用于材料的疲劳试验，在机械可靠性设计中，疲劳寿命、磨损寿命、腐蚀寿命以及由许多单元组成的系统寿命多服从威布尔分布。三参数威布尔分布的概率密度函数为：

式中：i、n与前文对数正态分布中变量意义相同。对前文提到的试验结果按威布尔分布进行可靠性分析，结果见图7。

试验结果采用对数正态分布或威布尔分布分析时哪种更接近于真实情况，可以采用拟合优度检验的方法进行检验。Anderson-Darling检定方法适用于类似上述试验的小样本评价方法，具有灵敏性的优势，是经常采用的拟合优度检验方法，对lognormal及Weibull分布均有较好检验的效果[4]。为保证试验分析结果的准确性，应保证至少5～7件样品进行可靠性评估。对最终的试验结果，应保证所有参与试验的样品试验次数不应低于验收标准的最低试验次数的要求(Nmin)，并且10%的试样发生了失效的的负载周期数应满足N10%≥Nmin，平均循环次数也是重要的评价指标。试验结果中，如果对数正态分布中N90 %/N10 %>5(以及威布尔分布中的梯度系数b≤1)，则表明此次试验结果过于离散，应对试验本身及试验工装夹具等进行必要的检查及分析，保证试验的有效性或找出样品制造过程中的不稳定因素。

5 结束语

文中讨论了汽车机械部件在试验过程中关于失效的定义，并通过对数正态分布及威布尔分布对试验样品的可靠性进行了初步分析。可靠性试验应立足于对少量随机试件的分析，快速掌握批量样品的基本性能及状况，并辅助发现试验过程中或生产过程中存在的问题。文中对国内企业较少采用的利用道路谱进行零部件试验的方法也进行了简要的介绍，这种更接近使用状态的试验方法有助于提高试验精度，结合可靠性分析方法，希望能达到抛砖引玉的效果。

【1】 张义民.汽车零部件可靠性设计[M].北京：北京理工大学出版社，2000：1-6,9-11.

【2】 刘鸿文.材料力学I[M].4版.北京：高等教育出版社，2004：364-365.

【3】 ABERNETHY R B.威布尔分析手册[M].唐宏昌,刘文,宋军,译.北京：北京航空航天大学，1992：12-13,129-131.

【4】 张维,于盛林,张弓.Anderson-Darling检验在杂波分布辨别中的应用[J].仪器仪表学报,2009,30(3):631-635.

ResearchonReliabilityofAutomotiveComponents

WANG Linglong, ZHANG Zipeng, LIU Wei

(China Automotive Technology and Research Center,Tianjin 300300,China)

Today the automobile companies give some attention to the reliability of products, but analysis way need more research. In China, the traditional method of quality requirements for components of cars is that single part meets the minimum requirements, nearly using statistical methods for reliability evaluation. Automotive component test results were analyzed used the method of log-normal distribution and Weibull distribution. Aiming at failure determination of automotive parts and road signals for fatigue test, some suggestions were given.

Reliability; Auto parts; Log-normal distribution; Weibull distribution

2014-05-09

王灵龙(1980—)，工学硕士，工程师，研究方向为汽车安全。E-mail：wanglinglong@catarc.ac.cn。