Bazele teoretice ale studiului fiabilitatii autovehiculelor

PREFATA

In ultimele decenii, asupra producatorilor de vehicule rutiere au fost impuse conditii din ce in ce mai stricte in ceea ce priveste reducerea impactului asupra mediului si cresterea sigurantei active si pasive. In acelasi timp cerintele referitoare la protectia resurselor naturale au determinat eforturi considerabile pentru diminuarea consumului de combustibil. Din dorinta de a atrage cel mai larg segment posibil de piata si de a raspunde cerintelor tot mai rafinate ale beneficiarilor, s-au inregistrat progrese importante si in domeniul confortului la bordul acestor mijloace de transport. Ca urmare, constructia si exploatarea vehiculelor rutiere au cunoscut o evolutie spectaculoasa. Arhitectura acestora a devenit din ce in ce mai complexa, integrand un numar tot mai mare de componente electronice, hidraulice si pneumatice precum si sisteme de comanda automata asistate de calculator.

Atat practica cat si teoria arata ca, pe masura ce un sistem tehnic devine mai complex, probabilitatea aparitiei defectiunilor creste, generand probleme tot mai numeroase si mai profunde in ceea ce priveste asigurarea unui nivel competitiv de fiabilitate al sistemului respectiv. In consecinta, producatorii de vehicule au fost nevoiti sa dezvolte studii de fiabilitate din ce in ce mai complexe si mai costisitoare. Au fost investite resurse semnificative in studiile experimentale iar abordarea teoretica a cunoscut o evolutie remarcabila, bazata pe o conexiune profunda cu domeniul avansat al teoriei probabilitatilor. Ca raspuns la aceste cerinte ale mediului economic, in numeroase universitati tehnice, inclusiv in Universitatea Nationala de Stiinta si Tehnologie „Politehnica” din Bucuresti, au fost create scoli doctorale orientate spre studiul fiabilitatii.

Pe de alta parte, practica a demonstrat necesitatea familiarizarii unui numar larg de ingineri, cu precadere a celor implicati in constructia si utilizarea vehiculelor rutiere, cu principiile elementare ale studiului fiabilitatii produselor tehnice. In dorinta de a raspunde acestei cerinte, prezenta lucrare isi propune sa constituie o introducere in abordarea practica a studiilor de fiabilitate, incepand cu abordarea notiunilor specifice domeniului si continuand cu prezentarea principiilor, metodelor si instrumentelor utilizate.

Cartea debuteaza cu un capitol in care este realizata o foarte scurta trecere in revista a principalelor repere din istoria studiului fiabilitatii in ingineria autovehiculelor, in contextul pozitionarii acesteia in cadrul etapelor de referinta ale dezvoltarii stiintei fiabilitatii in inginerie, in general. 6 Bazele teoretice ale studiului fiabilitatii autovehiculelor.

Primul capitol este destinat prezentarii semnificatiilor unor notiuni de baza utilizate in aceasta carte precum dispozitivul, mentenanta, mentenabilitatea si fiabilitatea. Sunt abordate si cateva aspecte cu caracter economic ce trebuie sa fie luate in considerare la stabilirea nivelului fiabilitatii unui dispozitiv. Este definita relatia dintre fiabilitate si calitate, subiect supus adeseori unei confuzii. In acest prim capitol sunt tratate si aspectele esentiale privind prelevarea datelor experimentale care constituie informatia primara necesara dezvoltarii studiilor de fiabilitate.

In cel de al doilea capitol al cartii sunt definiti cei mai des utilizati indicatori de fiabilitate si modalitatile de calcul empiric si analitic al marimilor lor pentru dispozitivele nereparabile si, respectiv, reparabile.

In cel de al treilea capitol al cartii sunt descrise caracteristicile definitorii ale celor mai des folosite legi teoretice continue de distributie si relatiile de calcul ale principalilor indicatori de fiabilitate pentru fiecare dintre aceste legi, precizandu-se cazurile in care ele pot fi utilizate. Sunt prezentate si doua legi teoretice discrete (legea binomiala si legea lui Poisson) care au o importanta deosebita, in special in planificarea si organizarea activitatilor de mentenanta a autovehiculelor rutiere.

Capitolul 4 este destinat etapei de formulare si verificare a ipotezelor statistice, etapa inevitabila in procesul de modelare si simulare ale unor procese specifice sistemelor tehnice. Sunt precizate situatiile in care pot fi utilizate criteriile ?2 si Kolmogorov si modalitatea de aplicare a lor.

Studiul fiabilitatii sistemelor tehnice complexe, abordat in capitolul 5, prezinta trasaturile specifice in functie de arhitectura schemei lor logice de fiabilitate (cu componente amplasate in serie, in paralel, mixt sau cu componente perturbatoare). In acest capitol este evidentiata modalitatea de aplicare a redundantei ca metoda de imbunatatire a sistemelor tehnice. In finalul capitolului sunt descrise doua constructii grafice utile in studiul fiabilitatii sistemelor: diagrama Pareto si matricea defectelor.

Cel de al saselea capitol al lucrarii este destinat descrierii unora dintre cele mai des folosite metode de incercare pentru aprecierea fiabilitatii sistemelor tehnice: incercarile cenzurate, incercarile trunchiate si cele secventiale.

Al saptelea capitol al lucrarii propune o noua modalitate prin care valorile parametrilor de diagnosticare pot fi utilizati la evaluarea cantitativa a rezervei starii tehnice a unui dispozitiv complex si, prin aceasta, la aprecierea empirica a nivelului fiabilitatii dispozitivului respectiv. Sunt definiti coeficienti ai starii tehnice a dispozitivelor si sistemului in ansamblul sau, pe baza carora se calculeaza valoarea rezervei starii tehnice a dispozitivului. Acest din urma parametru descrie mai fidel starea tehnica a dispozitivului, la un anumit moment, decat o poate face valoarea functiei de fiabilitate.

Ultimul capitol al cartii este destinat caracterizarii situatiei actuale in studiul fiabilitatii autovehiculelor si conturarii celor mai importante directii de dezvoltare in acest domeniu. Echiparea autovehiculelor cu sisteme tot mai avansate de monitorizare permanenta a starii tehnice a lor sistemelor si de asistare a soferului pe parcursul deplasarii a condus la o evolutie spectaculoasa in privinta controlului fiabilitatii autovehiculelor. Aceasta complexitate schimba paradigmele traditionale ale fiabilitatii: esecul unui vehicul nu mai provine doar din uzarea mecanica ci se poate datora adesea degradarii software-ului sau problemelor de compatibilitate intre module, erorilor de perceptie sau schimbarea distributiei datelor in timp. Sunt evidentiate si aspectele specifice privind fiabilitatea vehiculelor electrice si autonome. O atentie aparte a fost acordata modelarii fiabilitatii sistemelor tehnice, cu aplicatie la autovehiculele rutiere. Sunt mentionate componentele si instrumentele moderne utilizate in studiul fiabilitatii: invatarea automata (Machine learning), diagramele-bloc de fiabilitate, analiza arborelui de defecte, analiza modurilor de defectare, a efectelor si a criticitatii. Simularea digitala se bazeaza pe utilizarea tehnicilor Digital Twin, analiza prin elemente finite (FEA) si dinamica fluidelor asistata de calculator (Computational fluid dynamics – CFD). Modelele predictive bazate pe date utilizeaza informatii colectate de la vehicule reale si aplica algoritmi de inteligenta artificiala, cum ar fi Random Forest, Support Vector Machine, LSTM sau Transformers, pentru a analiza comportamentul componentelor si a detecta eventuale anomalii.

Lucrarea prezenta este rodul activitatii didactice si stiintifice derulate de autorii sai timp de mai multe decenii, incepand cu introducerea acestei discipline in planul de invatamant al sectiei Autovehicule rutiere de la Universitatea Politehnica din Bucuresti. Ea se adreseaza cu precadere studentilor care urmeaza cursurile domeniilor Ingineria autovehiculelor, Inginerie mecanica, Transporturi, Trafic si Logistica, precum si inginerilor si specialistilor care au preocupari legate de constructia si mentenanta autovehiculelor rutiere.

Autorii multumesc domnului prof. dr. matem. Constantin Tarcolea pentru amabilitatea de a citi manuscrisul lucrarii si pentru sugestiile si sfaturile de o inalta competenta stiintifica pe care le-a formulat.

Bucuresti, 09 septembrie 2026
Cristian Andreescu, Cornelia Stan

CUPRINS

Simboluri si notatii 15

Capitolul 0. STUDIUL FIABILITATII IN INGINERIA AUTOVEHICULELOR – SCURTA RETROSPECTIVA 23

Capitolul 1. NOTIUNI INTRODUCTIVE 30
1.1 Semnificatia notiunilor de mentenanta si fiabilitate 30
1.1.1 Modificarea starii tehnice a autovehiculelor 30
1.1.2 Notiunile de mentenanta si mentenabilitate 33
1.1.3 Notiunea de fiabilitate 35
1.1.4 Necesitatea studiilor de fiabilitate 41
1.1.5 Aspecte economice privind nivelul de fiabilitate al produselor 41
1.2 Inregistrarea datelor experimentale 45
1.2.1 Aspecte generale privind prelevarea datelor experimentale 45
1.2.2 Eliminarea valorilor inregistrate eronat 47
1.2.2.1 Criteriul Chouvenet 48
1.2.2.2 Criteriul Charlier 49

Capitolul 2. INDICATORI DE FIABILITATE 51
2.1 Indicatori de fiabilitate ai dispozitivelor nereparabile 51
2.1.1 Functia de fiabilitate 51
2.1.2 Functia de defectare (functia de repartitie in timp a defectiunilor) 54
2.1.3 Densitatea de probabilitate a timpului de buna functionare (frecventa relativa a defectiunilor; densitatea defectiunilor, viteza de defectare) 57
2.1.4 Rata instantanee de defectare (rata de defectare, intensitatea momentana a caderilor) 61
2.1.5 Media timpului de buna functionare 66
2.1.6 Dispersia timpului de buna functionare 67
2.1.7 Abaterea medie patratica a timpului de buna functionare 68
2.1.8 Coeficientul de variatie a timpului de buna functionare 69
2.1.9 Mediana timpului de buna functionare 69
2.1.10 Cuantilele timpului de buna functionare 70
2.2. Indicatori de fiabilitate ai dispozitivelor reparabile 70
2.2.1 Indicatori referitori la timpul total de utilizare 71
2.2.1.1 Functia de repartitie a timpului total de utilizare 71
2.2.1.2 Densitatea de probabilitate a timpului total de utilizare 72
2.2.1.3 Rata iesirii din utilizare 72
2.2.1.4 Media timpului total de utilizare 73
2.2.1.5 Dispersia timpilor totali de utilizare 73
2.2.1.6 Abaterea medie patratica a timpilor totali de utilizare 74
2.2.2 Indicatori referitori la timpul total de mentenanta 75
2.2.2.1 Functia de repartitie a timpului total de mentenanta 75
2.2.2.2 Densitatea de probabilitate a timpului total de mentenanta 75
2.2.2.3 Rata iesirii din activitatile de mentenanta 76
2.2.2.4 Media timpului total de mentenanta 76
2.2.2.5 Dispersia timpilor totali de mentenanta 77
2.2.2.6 Abaterea medie patratica a timpilor totali de mentenanta 78
2.2.3 Indicatori globali 78
2.2.3.1 Coeficientul de disponibilitate 78
2.2.3.2 Frecventa lucrarilor profilactice 78
2.2.3.3 Timpul specific consumat pentru efectuarea lucrarilor profilactice 79
2.2.3.4 Frecventa intreruperilor de functionare cauzate de defectiuni 79
2.2.3.5 Timpul specific consumat pentru remedierea defectiunilor 80

Capitolul 3. PARTICULARITATILE UTILIZARII UNOR LEGI TEORETICE DE DISTRIBUTIE LA STUDIUL FIABILITATII AUTOVEHICULELOR 81
3.1 Legea exponentiala 82
3.2 Legea normala (Gauss Laplace) 84
3.3 Legea log-normala 91
3.4 Legea Weibull 94
3.5 Indicatori de fiabilitate in cazul actiunii simultane a mai multor legi continue de defectare 102
3.6 Legea binomiala (legea lui Bernoulli) 104
3.7 Legea lui Poisson 106

Capitolul 4. FORMULAREA SI VERIFICAREA IPOTEZELOR STATISTICE 110
4.1 Determinarea legii teoretice de repartitie 110
4.2 Verificarea ipotezelor statistice 111
4.2.1 Criteriul ?2 (Pearson) 111
4.2.2 Criteriul Kolmogorov 114

Capitolul 5. STUDIUL FIABILITATII SISTEMELOR TEHNICE 116
5.1 Aspecte generale 116
5.2 Fiabilitatea sistemelor cu componentele dispuse in serie din punct de vedere al fiabilitatii 118
5.3 Fiabilitatea sistemelor cu componentele dispuse in paralel din punct de vedere al fiabilitatii 119
5.4 Fiabilitatea sistemelor cu componentele dispuse mixt din punct de vedere al fiabilitatii 121
5.4.1 Sisteme formate din componente amplasate numai in serie si/sau paralel 121
5.4.2 Sisteme cu componenta perturbatoare 122
5.5 Redundanta la autovehicule 124
5.6 Aspecte economice ale utilizarii redundantei la cresterea fiabilitatii sistemelor 130
5.7 Constructii grafice utilizate in studiul fiabilitatii sistemelor 134
5.7.1 Diagrama PARETO 134
5.7.2 Matricea defectelor 137

Capitolul 6. INCERCARI DE FIABILITATE 139
6.1 Aspecte generale 139
6.2 Incercari cenzurate 142
6.3 Incercari trunchiate 145
6.4 Incercari secventiale 147

Capitolul 7. EVALUAREA REZERVEI STARII TEHNICE A UNUI DISPOZITIV COMPLEX PRIN DIAGNOSTICARE 152
7.1 Aspecte teoretice 152
7.2 Studiu de caz: Evaluarea fiabilitatii functionale a sistemului de franare al unui autoturism 157

Capitolul 8. ACTUALITATE SI PERSPECTIVE IN FIABILITATEA AUTOVEHICULELOR 163
8.1 Evolutia abordarilor in studiul fiabilitatii autovehiculelor 163
8.2 Fiabilitatea sistemelor moderne din ingineria autovehiculelor 165
8.2.1 Sisteme ADAS 165
8.2.2 Vehicule electrice 166
8.2.3 Vehicule autonome 166
8.3 Modelarea fiabilitatii sistemelor 168
8.3.1 Scopul modelarii fiabilitatii sistemelor 168
8.3.2 Componentele modelarii fiabilitatii 168
8.3.3 Instrumente de modelare 168
8.3.4 Etapele procesului de modelare 169
8.3.5 Aplicabilitatea modelarii in industria autovehiculelor 169
8.3.6 Rezultatele modelarii 170
8.4. Simulari digitale si modele predictive in fiabilitatea moderna 170
8.4.1 Simularea digitala: Digital Twin, FEA si CFD 170
8.4.2 Modele predictive bazate pe date 170
8.5. Exemplu comparativ de Simulare integrala/Model predictiv-ML pentru Sistemul de franare al unui autovehicul 171
8.5.1.Simulare digitala a sistemului de franare (Digital Twin-FEA-CFD) 171
8.5.2.Modelul predictiv Machine Learning (ML) bazat pe date reale 172
8.6 Directii viitoare in fiabilitatea autovehiculelor 173

ANEXE 176
Anexa A 1 Valorile functiei Laplace 176
Anexa A 2 Valorile functiei Euler de tip Gamma 177
Anexa A 3 Diagrama Allan – Plait 178
Anexa A 4 Valorile functiei 2 179
Anexa A 5 Valorile functiei Kolmogorov 180

BIBLIOGRAFIE 181