汽车耐久性试验如何进行

来源:加速度传感器网 2015/10/12

　　汽车耐久性试验是为了考核整车、系统、子系统和零部件可靠性的一组试验，疲劳耐久寿命是耐久性试验考核的重点。

　　在车辆开发领域，耐久性、疲劳、寿命和可靠性这几个概念常常混为一谈，其实他们是有联系又有区别的。

　　汽车的耐久性是指其“保持质量和功能的使用时间”，一般汽车企业对整车耐久性的要求都是XX年或XX万公里，为了达到整车的耐久性，就需要整车、系统、子系统和零件分别满足各自的耐久性要求。

　　疲劳是指试件或构件材料在交变应力与交变应变的作用下，裂纹萌生、扩展，直到小片脱落或断裂的过程称为疲劳。汽车在行驶时不断受到由于路面不平而引起的路面冲击载荷，同时还受到转向侧向力、驱动力和制动力的作用。这些力一般都随着时间发生变化。另外，汽车发动机本身也是一个振动源。因此汽车在行驶过程中处于一个相当复杂的振动环境中，其各个零部件一般都会受到随着时间发生的应力、应变的作用。经过一定的工作时间，一些零部件就会发生疲劳损坏，出现裂纹或断裂。据统计，汽车90%以上的零部件损坏都属于疲劳损坏。

　　可靠性是指产品在规定条件和规定时间内产品可能完成规定功能（可靠的/存活），可能完不成规定功能（不可靠的/失效），因此：可靠度是产品在规定条件，规定时间内，完成规定功能的概率。

　　汽车及其零部件的失效寿命是个随机变量，具有统计性质，一般而言，符合2参数威布尔分布，或者高斯分布。一般采用B10寿命来评估汽车及其零部件的寿命，即要求汽车零部件达到这个寿命时发生失效的概率为10％，或者说可靠度为90％。目前，轿车的设计寿命一般是16万公里。很多汽车零部件的设计寿命（B10寿命）就是16万公里。也可以这样理解，一大批汽车零部件中，达到设计寿命（B10寿命）时要求有90%的产品还能够正常工作。所以现代可靠性的概念已经包括了汽车耐久性的概念。

　　为了使汽车产品具有需要的工作寿命和可靠性，行业内已经广泛采用了一套设计、分析和试验的流程。首先，通过试验测量产品载荷、载荷历程数据，并且提供给设计工程师，设计工程师据此确定产品的形状和尺寸。然后，对产品进行结构分析、疲劳耐久寿命预测和改进设计。最后，再进行试验，以检验疲劳寿命预计的正确性，并且确保产品具有需要的工作寿命和可靠度。这种试验称为耐久性试验。

　　在1920年以前，轿车、卡车的性能和耐久性试验都在公共道路上进行，各家厂商都选择了包括城市道路和乡村道路的试验路线。选择的原则是使测试车辆可以经受到在实际使用中所碰到的冲击载荷和动态载荷，并且为了缩短试验行驶里程和时间，使单位行驶距离内出现上述载荷的频次比在实际使用中的更高。因此，这些试验也属于加速寿命试验。同时，厂商们也在收集有关产品实际使用的数据并与上述试验数据进行对比分析。积累了一定的经验后，厂商们就可以确信，如果一辆车可以在上述试验路线上行驶一定的里程而不发生失效，那么它在客户手中就可以具有足够的工作寿命。

　　但是，公共道路的路况变化比较大，试验条件难以控制，造成试验结果重复性和可比性较差，试验周期比较长。到了20世纪20年代，汽车厂商们已经认识到进行仔细控制的耐久性试验的价值。而这样的试验需要在试验室内的试验设备上进行或者在专门的试验场地上进行。在美国，最早的专用车辆试验场之一是美国陆军的阿伯丁试验场（Aberdeen proving ground)，这个试验场在1920年以前就已经修建好，在第一次世界大战中用于试验大炮。1924年，通用汽车在密歇根州Milford修建了试验场。在这个试验场中包含了各种有代表性的汽车行驶道路，主要用于在标准条件下对批量生产前、后的轿车进行验证试验，也对竞争对手的产品进行综合试验。

　　在国内，主要的试车场有北京通县的交通部试车场、海南琼海的海南汽车试验场、属于军方的定远汽车试验场等，几家大的汽车公司也有自己的试车场，比如湖北襄樊的东风襄樊汽车试验场、上海通用的广德汽车试验场、大众刚刚在新疆开工的汽车试验场等等。

　　在一个典型的汽车耐久试验场中有一系列专门修建的试验道路，例如高速跑道、扭曲路、石块路、卵石路、鱼鳞坑、搓板路、砂石路、乡村土路等，每一种道路都使车辆受到独特的载荷输入。一些路面被设计来再现各种路面不均匀性，例如路面补块、裂缝、冻胀、坑洼、路面下沉、路桥接缝、铁路等等。各家厂商会根据对车辆的定义、目标用户等等定义车辆的载重、试验道路的种类以及通过它们的行驶速度，从而以确定载荷强度和频率考核整车和各个零部件。不同的厂家往往会有不同的试验里程和时间，从几千公里到几万公里，几个星期到几个月不等。

　　确实如提问中所说的，进行试车场的整车耐久试验要耗费大量的人力物力。而且还常常由于驾驶员、环境和试验道路的变化而得到不一致的结果。另外，如果只更改几个零件，也必须用整车去进行试验。因此，目前有尽量减少试验场耐久试验，更多利用快速、重复性好的试验室试验的趋势。

　　在试验室进行的耐久性试验一般称为道路模拟试验。在道路模拟试验中，一般包括以下步骤：

　　1.测量准确的载荷信号，一般是通过6分力轮、应变片、加速度传感器以及位移传感器等设备获取车辆在试车场上的载荷信号

　　2.对测量获得的信号进行加速处理

　　3.在道路模拟试验台架上通过迭代复现目标信号，形成加载信号

　　4.反复施加加载信号进行耐久性试验

　　常见的整车台架有4通道、16通道、24通道等等，耦合方式也分为车轮耦合、车轴耦合等方式。这种道路模拟试验系统一般不对被试验车身进行约束，是自由车身试验。由于车身不加约束，而液压作动器的形成一般又不大，所以这类系统主要施加冲击载荷，尤其是垂直冲击载荷，考核悬架和车身的耐久性能。另一方面，由于难以引入低频的非冲击载荷，例如车辆加速、制动、转向引起的惯性力，因此为了考核悬架、车轴、车轮等零件，需要进行约束车身的固定车身试验。

　　无论是试验场道路试验还是试验室的道路模拟试验，成本都很高，时间也很长。为了缩短开发周期，降低开发成本，在开发阶段的前期已经广泛应用CAE技术来替代试验验证。国外的一些厂商已经能够利用基于多体动力学的虚拟路面载荷分析、基于有限元的复杂整车模型的疲劳耐久分析和虚拟台架分析来替代部分试验或者加速试验进程。

　　PS: 为什么很多车子可以跑4、50万公里，这涉及了一个零件可靠性设计的重要理论，应力-强度干涉理论。产品在客户实际使用时的寿命取决于：实际使用载荷和产品的实际强度。这两者均是呈统计分布的。为了保障大多数用户能够正常使用，产品的设计强度，或者说平均强度要远远高于用户使用的平均载荷，就如下图4所示。当然，如下图3所示是理想情况，但是实际上确实无法实现的，这就要平衡售后赔偿成本与零件制造开发的成本。最终，大部分用户的实际使用载荷远低于零件设计强度和实际强度，设计寿命16万公里的车辆跑个4、50万公里也不稀奇，出租车都要跑80万公里才报废。另一方面，车辆是可以维修的，超过设计寿命后的维修与更换零件也可以大大延长车子的使用年限。