可靠性理论－第6章 可靠性试验方法课件

第6章汽车可靠性试验第6章汽车可靠性试验为了分析、评价、验证和提高产品的可靠性而进行的试验，统称为可靠性试验。广义地说，任何与产品失效效应有关的试验，都可以认为是可靠性试验。狭义的可靠性试验，往往是指寿命试验。6.1可靠性试验的意义在汽车可靠性研究中，通过可靠性试验了解整车及其各系统的关系，了解总成、零部件的失效情况，获得可靠性数据、资料，从而达到提高汽车产品的可靠性水平。6.2可靠性试验的目的1) 对汽车及其零部件可靠性水平的评估和考核。利用试验中获得的数据，求得产品的可靠度、失效率及平均寿命等可靠性指标，以考核其功能、强度、可靠性和寿命等是否符合设计要求。2) 对批量产品或外加工产品进行验收。3) 对试验结果进行失效机理分析。通过可靠性试验，暴露产品在设计、制造、使用、维护、管理方面存在的问题和薄弱环节，找出失效原因，提出改进方案，从而使汽车的可靠性水平不断得以提高。4) 储备设计所需的资料，探索发展方向，酝酿新的设计思想，为下一轮开发新产品积累经验。6.3.1按照试验场所分类试验按照试验场所分类有现场试验、试车场试验、实验室试验。三种试验方法各有优、缺点。(1) 现场试验

方法：按照实际服役条件进行的可靠性试验。这种试验可以在汽车服役地区的道路上进行。在服役地区试验，也称野外试验或现场试验。进行行驶试验时，车上一般装有记录负荷、应力、速度、温度的仪器，装有气温、气压、风速、里程、燃油和润滑油的记录装置或传感器。在现场试验时，须按一定的计划挑选试验的路面、地区。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，地区可分为严寒、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。现场试验的特点

优点：是一种综合性试验，能比较全面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，最为直接了当，也最为可靠。

缺点：是费用消耗大、投入的人力较多，试验周期长，不确定因素较多，试验的重复性相对差些。

对象：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。

开发一种新车型，至少进行两次现场试验，一次在设计定型前，一次在投产后。每次持续时间和里程应相当于在用户手中3至5年的实际服役期。

试车场试验（续）

试车场的主要设施：试验场试验-试验设施（续）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、承载系的可靠性，检查汽车的操纵稳定性能。3)高速环形车道检查汽车传动系的可靠性，包括发动机、变速器、冷却系、润滑系、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。试验场试验-试验设施（续）5)特殊坏路是一种破坏性路面，包括凹凸不平约石块路扭曲路、搓板路，用以考验悬架和承载系。6)特殊环境人为制造水槽、泥泞、灰尘、洞等特殊路段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，通常没有路面，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)标准陡坡测验汽车的爬坡能力和驻坡能力。实验室试验（续）缺点：由于受试验条件的限制，不可能完全反映实际使用情况

对象：比较适合于总成或零部件的可靠性对比试验。

实验室试验也大致经历了三个阶段:早期是等幅加载试验，逐渐发展到程序加载的多工况试验，最近随机加载的试验开始增多。就目前的发展水平，汽车零部件和总成的实验室可靠性试验，仍以程序加载试验为主。

实验室试验-台架试验所谓台架试验，就是在实验室使用专门的试验装置，模拟实际工作状态，完成总成或零部件的试验。它是实际工作状态在实验室再现的一种方法。尤其在新产品开发阶段，耗时、耗资最多的是可靠性评价试验，为缩短时间、节约经费，采用台架模拟试验。

优点:加速试验进程;数据重复性好、可比性强;采集数据方便，寿命分布明确;比整车试验经济。台架模拟试验包括:总成可靠性试验，零件可靠性试验。其中总成试验台架有:发动机试验台架，离合器试验台架，变速器试验台架，后轴试验台架，制动器试验台架等等。零件试验台架主要用于单一条件的试验。在开发试制阶段，主要用于考核零件可靠性，考核材料的强度、性能;在批量试车阶段，主要用于质量控制或外购件的质量验收。6.3.2按照破坏情况分类可分为破坏性和非破坏性二种(1)破坏性试验

试验样品最终被破坏或失效的试验。其中包括破坏性寿命试验，破坏性极限条件试验。破坏性寿命试验是为了确定产品寿命和可靠性特征值而进行的试验。破坏性极限条件试验是在超负荷或严酷环境条件(如高温、低温、酸碱盐腐蚀、高湿、缺氧、低气压等)下的破坏性试验，其主要目的是为了考察汽车和零部件产品在特殊环境下抵抗失效的能力。(2)非破坏性试验

这种试验是在不破坏产品的基础上而获得可靠性数据。其中包括以非破坏性方法查明产品潜在的缺陷，如采用超声波、声发射、射线、探伤剂、磁性等各种无损检测手段，查找产品是否存在缺陷，从而排除故障源。这种检测、试验方法适用于制造阶段对材料及其零部件的质量检验，也可以对外加工的贵重产品进行抽样检验。按照试验条件分类（续）

（2）加速寿命试验在不改变失效机理的前提下，增加应力幅值或加载频率，从而使故障率增大或寿命缩短的试验。这种试验可以在较短的时间里获得可靠性评定数据和暴露使用中可能出现的故障。这里所提到的应力是一种广义的概念，它包括负荷(拉、压、扭、剪)、振动、冲击等机械应力之外，还包括温度、湿度、腐蚀等环境应力，以及电流、电压、电场、磁场引起的电应力等等。对于施加机械（交变或随机）载荷的寿命试验，通常称为疲劳寿命试验。对于汽车产品来说，其MTTF、MTBF大多很长，进行旷日持久的常规性试验，从经济和开发周期来看往往是不允许的。a)加速寿命试验的目的①设置苛刻的试验条件，促使样品加速失效。设置的条件必须与实际情况有内在联系，能在短时间内预测通常使用条件下的寿命。②在苛刻环境和负荷条件下试验，确定零部件材料的安全裕度。③在苛刻环境和负荷条件下试验，剔除有缺陷的零部件，以保证整车的可靠性水平。b)加速寿命试验方法的选择原则①保证失效机理的稳定性。如果试验条件过于苛刻，有可能使原来条件下的失效机理发生改变，产生的失效就是在不正常条件下的失效机理引起的。②明确加速因素与产品寿命之间的关系。通过理论模型或经验模型，折算出正常条件下的产品寿命。c)加速寿命试验的结果评价

如何评价加速寿命试验的结果，需要考虑以下几个问题①与常规使用条件相比，平均寿命是否缩短?②常规使用条件相比，故障模式有无变化?③与常规使用条件相比，故障的范围有无扩大?④与常规使用条件相比，负荷条件发生了哪些变化?⑤在给定的累积故障概率范围内，与其它加速方法相比较，其试验结果是否存在差异?⑥反映可靠性指标的F(t)、R(t)、f(t)分布函数是否与原来常规使用条件下的分布函数相同?⑦加速的强度，即加速系数有多大?⑧试验设备、监视装置、数据的收集分析经济性如何?（3）强制老化试验在室温、高温、低温、潮湿、腐蚀、紫外线辐射等环境下，将处于非工作状态的汽车或零部件作搁置试验，使之在短时间里加速老化。这种试验类似于加速寿命试验，所不同的是设置了特殊的试验环境。(4)临界试验临界试验就是极限载荷的试验，用于在短时间内了解零部件能够承受最大载荷的能力。如(5)特殊环境下的可靠性试验

特殊环境是指特殊的气候环境。6.3.4按照试验样本大小分类(1)全数测试

全数试验是指对于关键项目和指标进行100%的测试或检查。这种测试所得数据较为精确，可靠性置信水平高，缺点是工作量大，测试对象也只能局限于非破坏性产品。需要说明的是:经过寿命试验的样品是不能作为产品安装或销售的。全数测试实际上是生产现场的在线检查，目的是提高零件或整车的可靠性水平。(2)抽样测试

从批量产品中抽取部分样品进行试验，利用试验结果，通过计算、分析来推断批量产品的可靠性特征量。在可靠性寿命试验中，为了缩短试验时间，抽样试验大多为截尾试验。所谓截尾试验，就是指参加试验的样品并没有达到全部失效就停止了试验。截尾试验有两种方法:①定时截尾试验到规定的时间停止试验。②定数截尾试验到规定的失效判断数停止试验。6.4可靠性试验计划6.4.1确定试验对象不同的试验对象，其可靠性试验的方法、试验样品的数量、以及采集数据的方式也不同。对于价廉、通用的重要零部件，取较多的试验样品，以提高数据的置信水平;对于价格昂贵的关键零部件，只能取少量样品;对于复杂的总成、部件，由于样品数量的限制，只能用一些主要的参数作为评价可靠性的指标。例如发动机台架的可靠性试验，除了结构强度外，主要测试功率、转矩、排放、油耗等指标。6.4.4做好试验准备①明确试验承担者决定试验任务由那些人员承担，做到分工明确，责任到人，尤其在野外试车时，需要组织一支精干的试车队伍。②落实试验经费保障试验工作的各项使用经费。③配置试验设备对已有仪器、设备进行计量标定，对新购置的仪器、设备做好调试工作，确保试验数据正确可靠。6.4.5编制和应用载荷谱由于汽车的工况和载荷变化十分复杂，从理论上讲，通过道路试验测定的载荷，能真实地反映随机载荷，数据可靠。但是，由于试验周期长，处理数据的工作量大，费用耗资多，这种方法不常使用。经常是在典型的路面上进行短距离实测，然后用数理统计原理进行整理和推断，最后编制成载荷谱，依照载荷谱对零部件进行快速疲劳试验。6.5可靠性抽样试验6.5.1抽样试验的基本概念6.5.1.1常用名词和术语(1)单位产品

单位产品就是构成产品总体的基本单位。例如:一组螺钉、螺母、一个齿轮、一个变速箱、一辆汽车，都可视为一个单位产品。一百升汽油、一罐冷却液等等。(2)不合格

不满足规定的技术要求。根据汽车设计的技术标准，在尺寸、成分、强度、性能、环保、缺陷疵点、外观等方面偏离要求的。(3)缺陷

不满足预期的使用要求。对预期使用要求来说偏离或缺少一种或多种质量特性。(4)批

在相同条件下生产出来的一定数量的单位产品称为批。如:一批2000型桑塔纳轿车，一批别克系列自动变速箱等等。(5)批量

构成批的单位产品总数称为批量。(6)试验批

为判定汽车或零部件产品的可靠性而进行试验的批称为试验批。试验批应当由生产条件相同的单位产品构成，否则难以判断产品的可靠性水平。试验批的大小常常根据产品的质量特性和可靠性试验的要求而定。(7)批不合格品率指试验批中不合格品所占的比率。即式中：P——批不合格品率;D——批中的不合格品数;

N——批量。(8)过程平均不合格品率是指在同一生产过程中所生产的若干批同类产品的不合格品率的平均值。它的计算公式是式中：——过程平均不合格品率;Di——第i批产品中的不合格品数;Ni——第i批产品的批量;K——产品的批数。由于过程平均不合格品率能够反映在生产条件不改变的情况下，所提供的产品的不合格品率，因此，当生产过程稳定时，它可以用来预测最近将要提交试验的产品的不合格品率。6.5.1.2试验方案设计为了保证（外）加工零部件的可靠性，必须进行抽样试验。在此之前需要建立一种规则，就是确定从一批产品中抽取试验的产品数和判定接收或拒收该批产品的规则。这种规则就是抽样试验的方案。根据判定标准，抽样试验方案可分为计数抽样试验方案和计量抽样试验方案两大类。一般计数抽样试验方案可表示为(N，n，Ac，Re)其中：N──试验批的批量;n──抽取的产品数(样本容量)；Ac──合格判断数;Re──不合格判断数。

(N，n，Ac，Re)计数抽样检验方案的含义是从批量为N的检验批中随机抽取一个样本容量为n的样本，对样本中的每个产品逐个进行测试，得到样本中的不合格品数d，如果d小于或等于Ac，则判定该试验批合格，接收该批产品;如果d大于或等于Re，则判定该试验批不合格，拒收该批产品。当Re=Ac+l时，计数抽样试验方案也可记作(n，c)，其中，n为样本容量，c为合格判断数。6.5.2抽样试验的类型抽样试验的类型，主要有标准型、选别型、调整型和连续生产型四种。它们各适用于不同的场合，且有其各自的特点。（1）标准型抽样试验是根据抽样检验方案，仅对试验批作出接收或拒收判断的抽样试验。

适用于产品质量的历史资料不了解的场合。标准型抽样试验能同时兼顾生产者(或供应方)和消费者（或使用方）的利益，使双方因抽样试验而带来的风险控制在一定范围之内。抽样试验的类型（续）（2）选别型抽样试验它是按抽样检验方案对检验批进行试验以后，对被判定为不合格的批再进行全数试验，剔除其中的不合格品，并以合格品补足批量之后，再提交验收的一种抽样试验。适用于不能选择供应者的购货试验，或者企业内部各生产工序中的成品与半成品试验或者产品入库与出厂试验。

对于经过抽样试验而被判定为不合格的批可以退货或降价接收的产品，不适宜采用选别型抽样试验。对那些测试是破坏性的产品，则更不能采用选别型抽样试验。抽样试验的类型（续）（3〕调整型抽样试验这种试验根据产品质量变化，随时调整检查、验收、试验的频次。通常在放宽、正常、加严检查之间调整变化。对于质量好的产品，采用放宽检验条件;对于质量水平逐渐变差的试验批，则增加检查频次，检验条件随之加严。随着产品质量的变化，试验可以在放宽试验、正常试验和加严试验之间进行转换。但转换的条件应事先作出明确的规定。（4）连续生产型抽样试验它是在自动生产线或传输带上传送的连续生产的产品进行中途试验。它不要求产品形成批。对于试验批，不能采用连续生产型抽样试验。采用连续生产型试验，可先连续对每个产品进行试验，当合格品数累计到规定数量或不合格品数在某个值以下时，就可改成每隔一定数量试验一次，如果出现不合格品，再恢复到逐个试验。6.5.3抽样试验的方式按照抽样的次数，其抽样的方式分为一次抽样、二次抽样、多次抽样、序贯抽样四种形式。一次抽样就是根据抽样试验方案，每次从试验批N中随机抽取一个样本n，当试验得到的不合格品数d小于或等于合格判断数c时，试验批合格，予以接收;当试验批的不合格品数d大于合格品判断数c时，试验批不合格，应当拒收。一次抽样试验的主要特点是:合格判断数与不合格判断数只相差1，这种方案可以写成(n，C)，经过一次试验就可以确定是接收还是拒收。二次抽样试验就是确定了二个相互配套的抽样试验方案，按这组抽样试验方案进行试验，最多只要二次就可以判定试验批是否合格。见图二次抽样试验框图多次抽样试验是二次抽样试验的延续，只是抽样的次数增多而已。一般多次抽样试验可以从试验批中随机抽取3至10组样本。序贯抽样试验是从试验批中每次独取一个样品，并且根据这个样品的测试结果，作出合格、不合格或继续抽样的判断，直到能够判定该批产品合格或不合格为止。一般采用序贯抽样试验时，只要抽取到一定数量的样品，就已能作出该批产品合格或不合格的判断。6.5.4计数抽样试验的基本原理（不讲）计数抽样试验的目的是判定试验批是否为合格批，最简单、最基本的计数抽样试验就是一次抽样试验方案。（1）接收概率试验批被判断为合格予以接收的概率称为接收概率，记作L(P)。设一批产品的批量为N，其中不合格产品数为Np，批不合格品率为P，如果从这批产品中随机抽取一个样本容量为n的样本，那么在这个样本中，恰有d件不合格品的概率为——从N件产品中，随机抽取n件产品的可能组合数;——从Np件不合格品中，随机抽取d件不合格品的可能组合数;——从N-Np件合格品中，随机抽取n-d件合格品的可能组合数。这是超几何分布，其中组合的计算方法是当采用抽样试验方案(n，c)验收一批产品时，只要样本中的不合格品数d不超过c，就认为合格，予以接收。因此当试验批的不合格品率为P时，它的接收概率L(P)为其中：P(d)是样本中恰有d件不合格品的概率。进一步可以证明:当P＜l0%，N/n＞l0时，且nP≤l0时，不合格品率和接收概率服从泊松分布，其计算公式为可以证明:当P＜10%，N/n＞10时，其不合格品率和接收概率服从二项分布，其计算公式如下：（2）抽样试验特性曲线抽样试验特性曲线，又称为OC线，见下图。其横坐标表示试验批的不合格品率，纵坐标表示试验批的接收概率。随着批不合格品率不断增大，接收概率逐渐下降。由计算接收概率L(P)的公式可知，参数(N，n，C