汽車耐久性試驗(yàn)是如何進(jìn)行的？還是知道為好！

2016-12-15  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

這個(gè)問題可以寫一個(gè)很長的答案,正好最近準(zhǔn)備了一個(gè)培訓(xùn)資料,我就挑一些相關(guān)的內(nèi)容寫在這里。

汽車耐久性試驗(yàn)是為了考核整車、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件可靠性的一組試驗(yàn),疲勞耐久壽命是耐久性試驗(yàn)考核的重點(diǎn)。

在車輛開發(fā)領(lǐng)域,耐久性、疲勞、壽命和可靠性這幾個(gè)概念常常混為一談,其實(shí)他們是有聯(lián)系又有區(qū)別的。

汽車的耐久性是指其“保持質(zhì)量和功能的使用時(shí)間”,一般汽車企業(yè)對整車耐久性的要求都是XX年或XX萬公里,為了達(dá)到整車的耐久性,就需要整車、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零件分別滿足各自的耐久性要求。

疲勞是指試件或構(gòu)件材料在交變應(yīng)力與交變應(yīng)變的作用下,裂紋萌生、擴(kuò)展,直到小片脫落或斷裂的過程稱為疲勞。汽車在行駛時(shí)不斷受到由于路面不平而引起的路面沖擊載荷,同時(shí)還受到轉(zhuǎn)向側(cè)向力、驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的作用。這些力一般都隨著時(shí)間發(fā)生變化。另外,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)本身也是一個(gè)振動(dòng)源。因此汽車在行駛過程中處于一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境中,其各個(gè)零部件一般都會(huì)受到隨著時(shí)間發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變的作用。經(jīng)過一定的工作時(shí)間,一些零部件就會(huì)發(fā)生疲勞損壞,出現(xiàn)裂紋或斷裂。據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車90%以上的零部件損壞都屬于疲勞損壞。

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品可能完成規(guī)定功能(可靠的/存活),可能完不成規(guī)定功能(不可靠的/失效),因此:可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定條件,規(guī)定時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的概率。

汽車及其零部件的失效壽命是個(gè)隨機(jī)變量,具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì),一般而言,符合2參數(shù)威布爾分布,或者高斯分布。一般采用B10壽命來評估汽車及其零部件的壽命,即要求汽車零部件達(dá)到這個(gè)壽命時(shí)發(fā)生失效的概率為10%,或者說可靠度為90%。目前,轎車的設(shè)計(jì)壽命一般是16萬公里。很多汽車零部件的設(shè)計(jì)壽命(B10壽命)就是16萬公里。也可以這樣理解,一大批汽車零部件中,達(dá)到設(shè)計(jì)壽命(B10壽命)時(shí)要求有90%的產(chǎn)品還能夠正常工作。所以現(xiàn)代可靠性的概念已經(jīng)包括了汽車耐久性的概念。

為了使汽車產(chǎn)品具有需要的工作壽命和可靠性,行業(yè)內(nèi)已經(jīng)廣泛采用了一套設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)的流程。首先,通過試驗(yàn)測量產(chǎn)品載荷、載荷歷程數(shù)據(jù),并且提供給設(shè)計(jì)工程師,設(shè)計(jì)工程師據(jù)此確定產(chǎn)品的形狀和尺寸。然后,對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、疲勞耐久壽命預(yù)測和改進(jìn)設(shè)計(jì)。最后,再進(jìn)行試驗(yàn),以檢驗(yàn)疲勞壽命預(yù)計(jì)的正確性,并且確保產(chǎn)品具有需要的工作壽命和可靠度。這種試驗(yàn)稱為耐久性試驗(yàn)。

在1920年以前,轎車、卡車的性能和耐久性試驗(yàn)都在公共道路上進(jìn)行,各家廠商都選擇了包括城市道路和鄉(xiāng)村道路的試驗(yàn)路線。選擇的原則是使測試車輛可以經(jīng)受到在實(shí)際使用中所碰到的沖擊載荷和動(dòng)態(tài)載荷,并且為了縮短試驗(yàn)行駛里程和時(shí)間,使單位行駛距離內(nèi)出現(xiàn)上述載荷的頻次比在實(shí)際使用中的更高。因此,這些試驗(yàn)也屬于加速壽命試驗(yàn)。同時(shí),廠商們也在收集有關(guān)產(chǎn)品實(shí)際使用的數(shù)據(jù)并與上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。積累了一定的經(jīng)驗(yàn)后,廠商們就可以確信,如果一輛車可以在上述試驗(yàn)路線上行駛一定的里程而不發(fā)生失效,那么它在客戶手中就可以具有足夠的工作壽命。

但是,公共道路的路況變化比較大,試驗(yàn)條件難以控制,造成試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性和可比性較差,試驗(yàn)周期比較長。到了20世紀(jì)20年代,汽車廠商們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到進(jìn)行仔細(xì)控制的耐久性試驗(yàn)的價(jià)值。而這樣的試驗(yàn)需要在試驗(yàn)室內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行或者在專門的試驗(yàn)場地上進(jìn)行。在美國,最早的專用車輛試驗(yàn)場之一是美國陸軍的阿伯丁試驗(yàn)場(Aberdeen proving ground),這個(gè)試驗(yàn)場在1920年以前就已經(jīng)修建好,在第一次世界大戰(zhàn)中用于試驗(yàn)大炮。1924年,通用汽車在密歇根州Milford修建了試驗(yàn)場。在這個(gè)試驗(yàn)場中包含了各種有代表性的汽車行駛道路,主要用于在標(biāo)準(zhǔn)條件下對批量生產(chǎn)前、后的轎車進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),也對競爭對手的產(chǎn)品進(jìn)行綜合試驗(yàn)。

在國內(nèi),主要的試車場有北京通縣的交通部試車場、海南瓊海的海南汽車試驗(yàn)場、屬于軍方的定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場等,幾家大的汽車公司也有自己的試車場,比如湖北襄樊的東風(fēng)襄樊汽車試驗(yàn)場、上海通用的廣德汽車試驗(yàn)場、大眾剛剛在新疆開工的汽車試驗(yàn)場等等。

在一個(gè)典型的汽車耐久試驗(yàn)場中有一系列專門修建的試驗(yàn)道路,例如高速跑道、扭曲路、石塊路、卵石路、魚鱗坑、搓板路、砂石路、鄉(xiāng)村土路等,每一種道路都使車輛受到獨(dú)特的載荷輸入。一些路面被設(shè)計(jì)來再現(xiàn)各種路面不均勻性,例如路面補(bǔ)塊、裂縫、凍脹、坑洼、路面下沉、路橋接縫、鐵路等等。各家廠商會(huì)根據(jù)對車輛的定義、目標(biāo)用戶等等定義車輛的載重、試驗(yàn)道路的種類以及通過它們的行駛速度,從而以確定載荷強(qiáng)度和頻率考核整車和各個(gè)零部件。不同的廠家往往會(huì)有不同的試驗(yàn)里程和時(shí)間,從幾千公里到幾萬公里,幾個(gè)星期到幾個(gè)月不等。

確實(shí)如提問中所說的,進(jìn)行試車場的整車耐久試驗(yàn)要耗費(fèi)大量的人力物力。而且還常常由于駕駛員、環(huán)境和試驗(yàn)道路的變化而得到不一致的結(jié)果。另外,如果只更改幾個(gè)零件,也必須用整車去進(jìn)行試驗(yàn)。因此,目前有盡量減少試驗(yàn)場耐久試驗(yàn),更多利用快速、重復(fù)性好的試驗(yàn)室試驗(yàn)的趨勢。

在試驗(yàn)室進(jìn)行的耐久性試驗(yàn)一般稱為道路模擬試驗(yàn)。在道路模擬試驗(yàn)中,一般包括以下步驟:

1.測量準(zhǔn)確的載荷信號(hào),一般是通過6分力輪、應(yīng)變片、加速度傳感器以及位移傳感器等設(shè)備獲取車輛在試車場上的載荷信號(hào)

2.對測量獲得的信號(hào)進(jìn)行加速處理

3.在道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架上通過迭代復(fù)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào),形成加載信號(hào)

4.反復(fù)施加加載信號(hào)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)

常見的整車臺(tái)架有4通道、16通道、24通道等等,耦合方式也分為車輪耦合、車軸耦合等方式。這種道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)一般不對被試驗(yàn)車身進(jìn)行約束,是自由車身試驗(yàn)。由于車身不加約束,而液壓作動(dòng)器的形成一般又不大,所以這類系統(tǒng)主要施加沖擊載荷,尤其是垂直沖擊載荷,考核懸架和車身的耐久性能。另一方面,由于難以引入低頻的非沖擊載荷,例如車輛加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向引起的慣性力,因此為了考核懸架、車軸、車輪等零件,需要進(jìn)行約束車身的固定車身試驗(yàn)。

從可靠性的角度出發(fā),整車的可靠性取決于系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零件的可靠性,為了保證整車能夠達(dá)到足夠的可靠性,每個(gè)系統(tǒng)和零件也必須進(jìn)行相應(yīng)的耐久性試驗(yàn),一般整車可靠性<系統(tǒng)可靠性<零件可靠性。比如其他一些答案中提到的開關(guān)門試驗(yàn)啊,下圖的座椅振動(dòng)等等。

無論是試驗(yàn)場道路試驗(yàn)還是試驗(yàn)室的道路模擬試驗(yàn),成本都很高,時(shí)間也很長。為了縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,在開發(fā)階段的前期已經(jīng)廣泛應(yīng)用CAE技術(shù)來替代試驗(yàn)驗(yàn)證。國外的一些廠商已經(jīng)能夠利用基于多體動(dòng)力學(xué)的虛擬路面載荷分析、基于有限元的復(fù)雜整車模型的疲勞耐久分析和虛擬臺(tái)架分析來替代部分試驗(yàn)或者加速試驗(yàn)進(jìn)程。

PS: 為什么很多車子可以跑4、50萬公里,這涉及了一個(gè)零件可靠性設(shè)計(jì)的重要理論,應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論。產(chǎn)品在客戶實(shí)際使用時(shí)的壽命取決于:實(shí)際使用載荷和產(chǎn)品的實(shí)際強(qiáng)度。這兩者均是呈統(tǒng)計(jì)分布的。為了保障大多數(shù)用戶能夠正常使用,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,或者說平均強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用戶使用的平均載荷,就如下圖4所示。當(dāng)然,如下圖3所示是理想情況,但是實(shí)際上確實(shí)無法實(shí)現(xiàn)的,這就要平衡售后賠償成本與零件制造開發(fā)的成本。最終,大部分用戶的實(shí)際使用載荷遠(yuǎn)低于零件設(shè)計(jì)強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度,設(shè)計(jì)壽命16萬公里的車輛跑個(gè)4、50萬公里也不稀奇,出租車都要跑80萬公里才報(bào)廢。另一方面,車輛是可以維修的,超過設(shè)計(jì)壽命后的維修與更換零件也可以大大延長車子的使用年限。

(來源:知乎 作者:Brandon Lu)

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