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基于任務(wù)可靠度的底盤可靠性設(shè)計(jì)

2022-05-30 10:48:04于海興陳玉寶曹建宏王駱賓司紅建
汽車與駕駛維修(維修版) 2022年7期
關(guān)鍵詞:新能源汽車可靠性

于海興 陳玉寶 曹建宏 王駱賓 司紅建

關(guān)鍵詞:任務(wù)可靠度;新能源汽車;可靠性;DCDC;可靠性增長試驗(yàn)

中圖分類號(hào):U463.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

0引言

隨著新能源汽車的快速發(fā)展,自卸車、專用車和特種車等汽車產(chǎn)品方案形式越來越多樣化,上裝對(duì)底盤的接口及功能要求呈現(xiàn)日益明顯的電氣化特點(diǎn)。如底盤取力器的形式已經(jīng)開始從發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、分動(dòng)器等機(jī)械取力,逐漸調(diào)整為高低壓供電驅(qū)動(dòng)的上裝設(shè)備等。

本研究針對(duì)客戶一款配置電動(dòng)缸的新能源自卸車底盤設(shè)計(jì),該型自卸車通過電動(dòng)缸完成上裝的舉升和回落,進(jìn)而完成上裝物料轉(zhuǎn)運(yùn)。為完成客戶提出的作業(yè)任務(wù)可靠度要求,該新能源自卸車底盤在研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估,并針對(duì)設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化[1],從而在滿足產(chǎn)品任務(wù)可靠度目標(biāo)的同時(shí),控制了產(chǎn)品配套的成本。

1底盤技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)客戶上裝及其配電技術(shù)要求,底盤產(chǎn)品設(shè)計(jì)采取了混合動(dòng)力技術(shù)路線,與上裝高低壓配電需求相適應(yīng)。該底盤具有明顯的新能源產(chǎn)品特征,由儲(chǔ)能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)與行駛系統(tǒng)、電器設(shè)備及高低電纜網(wǎng)組成。

儲(chǔ)能系統(tǒng)由多組動(dòng)力電池組成,發(fā)電系統(tǒng)為柴油發(fā)電機(jī)組,底盤具備純電行駛功能和混合動(dòng)力行駛功能。

底盤配電系統(tǒng)包括高壓配電箱、直流-直流轉(zhuǎn)換器(DCDC)和低壓配電箱等,分別實(shí)現(xiàn)高壓直流配電、高壓直流電轉(zhuǎn)低壓直流電以及高壓直流電轉(zhuǎn)高壓交流電、低壓直流配電功能。配電系統(tǒng)配置上裝高壓用電和低壓用電接口。參與上裝配電任務(wù)的系統(tǒng)主要為儲(chǔ)能系統(tǒng)、配電系統(tǒng)及整車控制器(VCU)。

當(dāng)用戶上裝執(zhí)行自卸任務(wù)時(shí),底盤配電系統(tǒng)需穩(wěn)定可靠性地供電。具體要求為:在規(guī)定的3min任務(wù)時(shí)間內(nèi),底盤任務(wù)可靠度最低門限值為0.998,目標(biāo)值為0.9998。

2可靠性設(shè)計(jì)

根據(jù)客戶任務(wù)可靠度要求,單機(jī)設(shè)備選型貫徹了成熟設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)和簡化設(shè)計(jì)等準(zhǔn)則,對(duì)底盤配電系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)可靠性設(shè)計(jì)。

2.1任務(wù)可靠性模型

根據(jù)上裝配電任務(wù)需求,建立了任務(wù)可靠性框圖模型一(圖1)。具體工作原理為:電池管理系統(tǒng)控制單元(BMS)負(fù)責(zé)動(dòng)力電池電量管理,動(dòng)力電池為供電電源;高壓箱通過繼電器控制高壓直流配電回路;DCDC進(jìn)行高壓直流轉(zhuǎn)低壓直流變換;低壓配電盒通過繼電器控制低壓配電回路;VCU通過CAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)高壓箱、DCDC和低壓配電盒的繼電器控制,以及實(shí)現(xiàn)對(duì)BMS電量請(qǐng)求。該控制策略設(shè)計(jì)中,忽略高低壓線束等成熟部件的影響。

2.2任務(wù)可靠性分配

根據(jù)Rs的門限值和目標(biāo)值可靠度要求,結(jié)合相似產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)比例系數(shù)評(píng)分法進(jìn)行單機(jī)設(shè)備任務(wù)可靠度的初步分配[2-3],如表1所示。

2.3任務(wù)可靠性評(píng)估

在該底盤試制前,為評(píng)估該底盤的任務(wù)可靠度滿足情況,收集了相似底盤產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)。結(jié)合相似底盤工作時(shí)的環(huán)境因子,進(jìn)一步整理了配套新底盤所屬單機(jī)設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)。根據(jù)單機(jī)設(shè)備任務(wù)可靠度評(píng)估數(shù)學(xué)模型,計(jì)算可得各單機(jī)設(shè)備的任務(wù)可靠度[4-5]。

式中RL——可靠度置信下限,代表單機(jī)設(shè)備任務(wù)可靠度

T——總試驗(yàn)時(shí)間

r——故障數(shù)

t0——任務(wù)時(shí)間

γ——置信水平(取0.8)

根據(jù)式(3)分別計(jì)算RBMS、RDCB、RGYH、RDCDC、RDYH和RVCU,再由式(1)和式(2)計(jì)算當(dāng)前的底盤任務(wù)可靠度(表2)。

從表2可以看出,底盤的任務(wù)可靠度評(píng)估計(jì)算結(jié)果為0.999554,滿足門限值0.998要求,但不能滿足目標(biāo)值0.9998的任務(wù)可靠度要求。對(duì)比表2所示的單機(jī)可靠度評(píng)估結(jié)果和表1所示的可靠度門限值與目標(biāo)值分配要求,可以發(fā)現(xiàn)DCDC能滿足其可靠度門限值要求,但與其可靠度目標(biāo)值要求差距較多。

經(jīng)評(píng)估分析,底盤任務(wù)可靠度評(píng)估結(jié)果偏低的薄弱環(huán)節(jié)在于DCDC。該設(shè)備根據(jù)客戶的要求進(jìn)行了定制開發(fā)。當(dāng)前該設(shè)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,其技術(shù)狀態(tài)成熟度偏低,故障率偏高。

3可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)

為達(dá)到客戶所要求的任務(wù)可靠度目標(biāo)要求,擬采取如下措施。

(1)增加1套DCDC單機(jī)設(shè)備,通過冗余設(shè)計(jì)提高高壓直流轉(zhuǎn)低壓直流的配電任務(wù)可靠度。

(2)對(duì)DCDC開展可靠性增長試驗(yàn),以便有計(jì)劃地激發(fā)故障、分析故障和改進(jìn)設(shè)計(jì),從而糾正該底盤的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

3.1冗余設(shè)計(jì)

DCDC冗余設(shè)計(jì)原理為:在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加1套DCDC,2套DCDC的高壓輸入均來自高壓箱的不同輔助接口;CAN通訊協(xié)議采用不同的ID設(shè)置,從而VCU可以同時(shí)與這2套DCDC實(shí)現(xiàn)交互控制。2套DCDC的電壓電源接口在低壓配電盒上進(jìn)行電網(wǎng)并網(wǎng)。該底盤設(shè)計(jì)改進(jìn)方案的任務(wù)可靠性框圖模型如圖2所示。

同理,其任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型如下。

進(jìn)而計(jì)算可得改進(jìn)設(shè)計(jì)后的底盤任務(wù)可靠度(表3),能夠滿足客戶任務(wù)可靠度目標(biāo)值要求。

3.2可靠性增長試驗(yàn)

冗余設(shè)計(jì)改進(jìn)措施能直接滿足客戶可靠度要求,但需配置2套DCDC,當(dāng)批量進(jìn)行底盤配套時(shí),將明顯增加底盤成本。而該型DCDC是根據(jù)客戶要求進(jìn)行了國產(chǎn)化開發(fā),在表2所示的可靠性評(píng)估試驗(yàn)中出現(xiàn)的偶發(fā)故障,包括絕緣報(bào)警、峰值功率不足和過熱報(bào)警。

為達(dá)到底盤配套單套DCDC即可滿足客戶要求的目標(biāo),必須提高DCDC單機(jī)設(shè)備的任務(wù)可靠度??煽啃栽鲩L及其加速試驗(yàn)是提高單機(jī)設(shè)備可靠性增長的必要途徑。

DCDC可靠性增長試驗(yàn)是通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)剖面,模擬車輛的溫度、濕度、振動(dòng)和電應(yīng)力工作環(huán)境條件,對(duì)DCDC進(jìn)行絕緣檢查、耐壓檢查、防護(hù)等級(jí)檢查、峰值功率輸出功能檢查、溫升檢查以及CAN通訊功能測試等試驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)試驗(yàn)暴露的故障及缺陷,分析設(shè)計(jì)和工藝的薄弱環(huán)節(jié)并不斷進(jìn)行改進(jìn),直至在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)無故障發(fā)生,才認(rèn)可DCDC國產(chǎn)化單機(jī)已達(dá)到可靠性增長目標(biāo)。

3.2.1可靠性增長試驗(yàn)剖面

根據(jù)終端用戶對(duì)自卸車的使用環(huán)境,開展溫度、濕度、振動(dòng)及電應(yīng)力的綜合性可靠性增長試驗(yàn)[6]。其可靠性增長基本試驗(yàn)剖面如圖3所示,單個(gè)循環(huán)時(shí)間為480min,電應(yīng)力有效試驗(yàn)時(shí)間為300min。采用溫度加速的方式,在低溫段、常溫段、高溫段進(jìn)行加速,采用溫度加速方案后相應(yīng)段試驗(yàn)時(shí)間縮短為原來的一半[7],單個(gè)循環(huán)時(shí)間為240min,電應(yīng)力有效試驗(yàn)時(shí)間為150min(圖4)。

3.2.2可靠性增長試驗(yàn)的確定

擬根據(jù)DCDC的任務(wù)可靠度需求,基于無模型可靠性增長試驗(yàn)方法進(jìn)行可靠性增長試驗(yàn)設(shè)計(jì)??煽啃栽鲩L有效試驗(yàn)時(shí)間T可由式(3)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

式中γ——置信水平(取0.8)

r——試驗(yàn)期間允許出現(xiàn)的故障數(shù)(取0)

R——可靠度要求

t——用戶任務(wù)剖面時(shí)間(3min)

DCDC任務(wù)可靠度指標(biāo)的確定基于如下幾個(gè)方面:①DCDC可靠度門限值為0.9996,經(jīng)評(píng)估,實(shí)際已滿足要求;②DCDC可靠度目標(biāo)值為0.99996,經(jīng)評(píng)估,實(shí)際相差要求較大;③根據(jù)當(dāng)前其他單機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果,如需滿足底盤任務(wù)可靠度目標(biāo)值要求,單機(jī)DCDC所需的任務(wù)可靠度至少不小于0.99993。

綜上,修正DCDC的可靠度目標(biāo)值為0.99993。

根據(jù)式(6)可計(jì)算出可靠性增長有效試驗(yàn)時(shí)間,進(jìn)而可得到試驗(yàn)循環(huán)數(shù)。其中驗(yàn)證階段開展41個(gè)基本試驗(yàn)剖面循環(huán),摸底階段在驗(yàn)證階段基礎(chǔ)上開展189個(gè)加速試驗(yàn)剖面循環(huán)。預(yù)計(jì)驗(yàn)證階段試驗(yàn)周期至少14天,摸底階段試驗(yàn)周期至少32天,總試驗(yàn)周期至少46天。

從底盤的DCDC產(chǎn)品配套成本和可靠性增長試驗(yàn)研制成本角度分析,只有當(dāng)?shù)妆P訂單數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí),DCDC單個(gè)配套節(jié)約的成本才能覆蓋可靠性增長試驗(yàn)成本。因而,建議客戶在該底盤產(chǎn)品供貨初期,采用冗余設(shè)計(jì)方案保障上裝配電任務(wù)可靠度要求。

4結(jié)束語

本文通過可靠性評(píng)估,驗(yàn)證了某新能源自卸車的底盤設(shè)計(jì)滿足客戶任務(wù)可靠度門限值要求,卻無法滿足目標(biāo)值要求,設(shè)計(jì)中可靠性薄弱環(huán)節(jié)為DCDC設(shè)備。通過對(duì)DCDC采取冗余設(shè)計(jì)改進(jìn)措施以及可靠性增長試驗(yàn)方案,最終提出研發(fā)建議:底盤訂單少量配套時(shí)采取冗余設(shè)計(jì)措施;訂單明顯較多時(shí)再開展DCDC單機(jī)的可靠性增長試驗(yàn),底盤僅需配套單套DCDC,實(shí)現(xiàn)底盤成本控制目的。

作者簡介:

于海興,碩士,工程師,新能源汽車總體設(shè)計(jì)與可靠性工程。

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