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汽車耐久性試驗——提高汽車工作壽命與可靠性
2018-02-26 22:51:32·
汽車的耐久性是指其保持質(zhì)量和功能的使用時間，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)件材料在交變應力與交變應變的作用下，裂紋萌生、擴展，直到小片脫落或斷裂的過程稱為疲勞。汽車在行駛過程中處于一個相
汽車的耐久性是指其“保持質(zhì)量和功能的使用時間”，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)件材料在交變應力與交變應變的作用下，裂紋萌生、擴展，直到小片脫落或斷裂的過程稱為疲勞。汽車在行駛過程中處于一個相當復雜的振動環(huán)境中，其各個零部件一般都會受到隨著時間發(fā)生的應力、應變的作用。經(jīng)過一定的工作時間，一些零部件就會發(fā)生疲勞損壞，出現(xiàn)裂紋或斷裂。據(jù)統(tǒng)計，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隨機變量，具有統(tǒng)計性質(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到這個壽命時發(fā)生失效的概率為10％，或者說可靠度為90％。目前，轎車的設計壽命一般是16萬公里。很多汽車零部件的設計壽命（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，達到設計壽命（B10壽命）時要求有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。
疲勞是指試件或構(gòu)件材料在交變應力與交變應變的作用下，裂紋萌生、擴展，直到小片脫落或斷裂的過程稱為疲勞。汽車在行駛過程中處于一個相當復雜的振動環(huán)境中，其各個零部件一般都會受到隨著時間發(fā)生的應力、應變的作用。經(jīng)過一定的工作時間，一些零部件就會發(fā)生疲勞損壞，出現(xiàn)裂紋或斷裂。據(jù)統(tǒng)計，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隨機變量，具有統(tǒng)計性質(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到這個壽命時發(fā)生失效的概率為10％，或者說可靠度為90％。目前，轎車的設計壽命一般是16萬公里。很多汽車零部件的設計壽命（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，達到設計壽命（B10壽命）時要求有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。
耐久性試驗流程
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)廣泛采用了一套設計、分析和試驗的流程。
首先，通過試驗測量產(chǎn)品載荷、載荷歷程數(shù)據(jù)，并且提供給設計工程師，設計工程師據(jù)此確定產(chǎn)品的形狀和尺寸。
然后，對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)分析、疲勞耐久壽命預測和改進設計。
最后，再進行試驗，以檢驗疲勞壽命預計的正確性，并且確保產(chǎn)品具有需要的工作壽命和可靠度。這種試驗稱為耐久性試驗。
耐久性的歷史
在1920年以前，轎車、卡車的性能和耐久性試驗都在公共道路上進行，各家廠商都選擇了包括城市道路和鄉(xiāng)村道路的試驗路線。選擇的原則是使測試車輛可以經(jīng)受到在實際使用中所碰到的沖擊載荷和動態(tài)載荷，并且為了縮短試驗行駛里程和時間，使單位行駛距離內(nèi)出現(xiàn)上述載荷的頻次比在實際使用中的更高。因此，這些試驗也屬于加速壽命試驗。同時，廠商們也在收集有關(guān)產(chǎn)品實際使用的數(shù)據(jù)并與上述試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。積累了一定的經(jīng)驗后，廠商們就可以確信，如果一輛車可以在上述試驗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，試驗條件難以控制，造成試驗結(jié)果重復性和可比性較差，試驗周期比較長。到了20世紀20年代，汽車廠商們已經(jīng)認識到進行仔細控制的耐久性試驗的價值。而這樣的試驗需要在試驗室內(nèi)的試驗設備上進行或者在專門的試驗場地上進行。在美國，最早的專用車輛試驗場之一是美國陸軍的阿伯丁試驗場（Aberdeen proving ground)，這個試驗場在1920年以前就已經(jīng)修建好，在第一次世界大戰(zhàn)中用于試驗大炮。1924年，通用汽車在密歇根州Milford修建了試驗場。在這個試驗場中包含了各種有代表性的汽車行駛道路，主要用于在標準條件下對批量生產(chǎn)前、后的轎車進行驗證試驗，也對競爭對手的產(chǎn)品進行綜合試驗。
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)廣泛采用了一套設計、分析和試驗的流程。
首先，通過試驗測量產(chǎn)品載荷、載荷歷程數(shù)據(jù)，并且提供給設計工程師，設計工程師據(jù)此確定產(chǎn)品的形狀和尺寸。
然后，對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)分析、疲勞耐久壽命預測和改進設計。
最后，再進行試驗，以檢驗疲勞壽命預計的正確性，并且確保產(chǎn)品具有需要的工作壽命和可靠度。這種試驗稱為耐久性試驗。
耐久性的歷史
在1920年以前，轎車、卡車的性能和耐久性試驗都在公共道路上進行，各家廠商都選擇了包括城市道路和鄉(xiāng)村道路的試驗路線。選擇的原則是使測試車輛可以經(jīng)受到在實際使用中所碰到的沖擊載荷和動態(tài)載荷，并且為了縮短試驗行駛里程和時間，使單位行駛距離內(nèi)出現(xiàn)上述載荷的頻次比在實際使用中的更高。因此，這些試驗也屬于加速壽命試驗。同時，廠商們也在收集有關(guān)產(chǎn)品實際使用的數(shù)據(jù)并與上述試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。積累了一定的經(jīng)驗后，廠商們就可以確信，如果一輛車可以在上述試驗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，試驗條件難以控制，造成試驗結(jié)果重復性和可比性較差，試驗周期比較長。到了20世紀20年代，汽車廠商們已經(jīng)認識到進行仔細控制的耐久性試驗的價值。而這樣的試驗需要在試驗室內(nèi)的試驗設備上進行或者在專門的試驗場地上進行。在美國，最早的專用車輛試驗場之一是美國陸軍的阿伯丁試驗場（Aberdeen proving ground)，這個試驗場在1920年以前就已經(jīng)修建好，在第一次世界大戰(zhàn)中用于試驗大炮。1924年，通用汽車在密歇根州Milford修建了試驗場。在這個試驗場中包含了各種有代表性的汽車行駛道路，主要用于在標準條件下對批量生產(chǎn)前、后的轎車進行驗證試驗，也對競爭對手的產(chǎn)品進行綜合試驗。
在一個典型的汽車耐久試驗場中有一系列專門修建的試驗道路，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特的載荷輸入。一些路面被設計來再現(xiàn)各種路面不均勻性，例如路面補塊、裂縫、凍脹、坑洼、路面下沉、路橋接縫、鐵路等等。各家廠商會根據(jù)對車輛的定義、目標用戶等等定義車輛的載重、試驗道路的種類以及通過它們的行駛速度，從而以確定載荷強度和頻率考核整車和各個零部件。不同的廠家往往會有不同的試驗里程和時間，從幾千公里到幾萬公里，幾個星期到幾個月不等。
如上所述，進行試車場的整車耐久試驗要耗費大量的人力物力。而且還常常由于駕駛員、環(huán)境和試驗道路的變化而得到不一致的結(jié)果。另外，如果只更改幾個零件，也必須用整車去進行試驗。因此，目前有盡量減少試驗場耐久試驗，更多利用快速、重復性好的試驗室試驗的趨勢。
道路模擬試驗的步驟
在試驗室進行的耐久性試驗一般稱為道路模擬試驗。在道路模擬試驗中，一般包括以下步驟：
1.測量準確的載荷信號，一般是通過6分力輪、應變片、加速度傳感器以及位移傳感器等設備獲取車輛在試車場上的載荷信號
2.對測量獲得的信號進行加速處理
3.在道路模擬試驗臺架上通過迭代復現(xiàn)目標信號，形成加載信號
4.反復施加加載信號進行耐久性試驗
如上所述，進行試車場的整車耐久試驗要耗費大量的人力物力。而且還常常由于駕駛員、環(huán)境和試驗道路的變化而得到不一致的結(jié)果。另外，如果只更改幾個零件，也必須用整車去進行試驗。因此，目前有盡量減少試驗場耐久試驗，更多利用快速、重復性好的試驗室試驗的趨勢。
道路模擬試驗的步驟
在試驗室進行的耐久性試驗一般稱為道路模擬試驗。在道路模擬試驗中，一般包括以下步驟：
1.測量準確的載荷信號，一般是通過6分力輪、應變片、加速度傳感器以及位移傳感器等設備獲取車輛在試車場上的載荷信號
2.對測量獲得的信號進行加速處理
3.在道路模擬試驗臺架上通過迭代復現(xiàn)目標信號，形成加載信號
4.反復施加加載信號進行耐久性試驗
常見的整車臺架有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。這種道路模擬試驗系統(tǒng)一般不對被試驗車身進行約束，是自由車身試驗。由于車身不加約束，而液壓作動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、轉(zhuǎn)向引起的慣性力，因此為了考核懸架、車軸、車輪等零件，需要進行約束車身的固定車身試驗。
無論是試驗場道路試驗還是試驗室的道路模擬試驗，成本都很高，時間也很長。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)廣泛應用CAE技術(shù)來替代試驗驗證。國外的一些廠商已經(jīng)能夠利用基于多體動力學的虛擬路面載荷分析、基于有限元的復雜整車模型的疲勞耐久分析和虛擬臺架分析來替代部分試驗或者加速試驗進程。
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