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汽车耐久性试验
作者：王继光
来源：《硅谷》2011年第03期
摘要： 随着汽车市场的发展，竞争也越来越激励，如何能够在保证质量的同时缩短开发周期、降低开发成本，是所有汽车企业为尽快响应市场需求所面临的问题。汽车试验技术正是解决这一问题的关键所在，整车耐久性试验是汽车开发试验中最重要的一个环节。结合多年从事汽车试验的经验，总结目前在汽车开发过程中整车耐久性试验的种类，并阐述其在整车开发中的应用。
关键词： 耐久性试验；虚拟；道路模拟；汽车开发
中图分类号：U4 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0210181－01
汽车一般设计生命周期为十年或十几万公里；几千种零部件，涵盖金属、橡胶、电子、塑料、纺织等多个行业；使用环境复杂多样：高寒、高温高湿、高海拔、阳光曝晒、雨雪、灰尘。通过简化的试验在较短周期内来验证汽车的在整个设计生命周期内的耐久性是个复杂的工程。
整车耐久性试验按照试验方式可以分为以下几类：
1）道路耐久性试验。道路耐久性试验是整车耐久性试验最重要也是最常用的试验方式，按照试验道路的不同可以分为试车场道路耐久性试验和公共道路耐久性试验。试车场道路耐久性试验是试验样车在试车场内特定的试验道路上，按照特定的试验规范驾驶来重现汽车在整个设计生命周期内的疲劳损伤。试车场用于耐久性试验的主要道路主要有：高速路、卵石路、鱼鳞坑路、搓板路、比利时路、起伏路、摇摆路、破损路、方坑、标准坡道等，通过这些道路能够模拟客户使用中的最恶劣工况，进而到达考核产品耐久性能的目的。试验规范各个公司有着不同的做法，试验规范的制定是通过采集目标市场目标客户的实际使用数据，然后结合试验场特定耐久性道路，通过调整在不同路面上的车速和循环数量，达到等效客户实际使用时的疲劳损伤，为了缩短试验周期试车场耐久性试验一般按照4～10倍的系数强化。
公共道路耐久性试验是车辆在公共道路上按照驾驶员自己的开车习惯正常驾驶，完成整个设计寿命里程。一般以山路、乡村公里、城市道路、省道、国道、高速路作为典型道路，根据产品在实际市场中的使用情况选择典型道路的里程分配比例，也会根据产品在各个区域的销售情况选择保有量较大的城市或者具有典型路况和气候特征的城市。驾驶员的选择尽可能做到驾驶习惯多样性和接近目标客户群。
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考虑到汽车的使用环境，完整的汽车耐久性试验还应当包含冬季试验、夏季试验和腐蚀试验。冬季试验考核汽车在低温以及冰雪侵入环境中的质量表现，主要考核发动机、电子元器件、橡胶件以及各种油、液管路。试验规范一般要求大部分试验气温低于-20度，其中还应包含一定比例的气温低于-30度，在国内一般选择在内蒙加格达奇或黑龙江黑河，每年11月到第二年4月份气候条件都可以满足试验要求。夏季试验主要考核汽车各个系统在高温高湿环境下的质量表现，主要考核发动机及其冷却系统，空调系统，以及内外饰零件。位于海南省琼海市的海南汽车试验场，有季节性的暴风雨、高温、高湿、降雨量充沛等气候特点，是夏季试验的理想场所，每年的5月下旬到9月下旬都有35度以上的高温。
腐蚀试验是重现汽车实际使用中所受到的电化学腐蚀，主要的试验设施有盐溅槽、盐雾室、高温高湿环境舱。盐溅槽内是一定比例的盐、水和砂石的混合物，能够模拟冬季道路洒盐对车辆的影响；盐雾室内部布满喷嘴能够将一定浓度的盐水以雾状的形式充满整个空间，试验样车在里面浸泡一段时间后，车身外部以及与空气接触的零部件都会沉降一定量的盐水，能够模拟沿海地区高湿空气对车辆造成的腐蚀；高温高湿环境舱主要用于加速腐蚀的进程，在试验场中进行的腐蚀耐久性试验，两周的腐蚀效果可以等效实际使用中的一年。试验过程会在试验样车的不同区域悬挂标准的金属样片，这些金属样片的腐蚀情况能够反映出腐蚀试验的腐蚀效果。将这些样片的腐蚀数据和专门收集产品车使用过程中腐蚀数据对比，能够做到腐蚀试验对样车不同区域的腐蚀都与产品实际使用中的腐蚀相当，腐蚀试验能够真实的反映产品的耐久性。
2）台架道路模拟试验。利用数采仪和测量轮采集汽车在各种道路上执行道路耐久试验规范时四个车轮的力和扭矩数据，然后由专门的数据处理软件将这些数据转化成道路模拟机所需液压伺服系统的驱动程序，液压伺服系统作用在车轮上重现车辆在道路试验时受力和扭矩情况。一般在采集车轮上力和扭矩的同时，也采集车辆关键零部件上的应力或应变，以此作为参考的基准调试和检验液压伺服驱动程序，使道路模拟和实际道路试验的耐久损伤相当。根据液压伺服系统通道的不同道路模拟试验台架有4通道到24通道各种类型，其对车轮的控制也从单个自由度到全部六个自由度。
最初道路模拟试验台架只有4个通道，通过调整垂直载荷模拟不同路面道路试验的疲劳损伤，试验强化系数较大时，垂直方向受力成倍加大，会造成一些正常行驶中不会出现的实效模式，因此其试验结果与道路试验的相关性较差。
目前主要使用的是16通道不但能够重现每个车轮垂直、纵向、侧向三个方向的受力，还能重现制动/驱动扭矩，能够较好的考核车身下部结构，悬架系统，后桥，副车架等承载结构。
24通道能够重现车轮全部六个自有度方向上的受力和扭矩：垂直、纵向、侧向三个方向的受力，制动/驱动扭矩、转向扭矩、侧倾扭矩三个扭矩。能够更真实的模拟车辆在道路上行驶时的受力和扭矩情况，车身的振动情况也更加接近实际形式中振动，因此其能够考核涵盖空调、电子、内饰、外饰等零件的绝大多数零件的结构耐久。但是由于发动机和转向机处在自由
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状态，对于发动机悬置系统和转向系统的模拟和实际道路存在偏差，车身的响应也相对正常行驶中有较小的差异，将来会出现带有发动机、转向机控制的更多通道的道路模拟试验台。 3）虚拟耐久性试验。运用现代CAE技术搭建一个整车结构的混合多体动力学理论模型，把一些典型工况和路面的路面特征作为输入载荷施加到虚拟试验模型上，结合各种材料的疲劳数据得到相应零部件理论疲劳损伤值，预测其疲劳寿命。虚拟耐久试验是最近十几年随着CAE技术的发展才逐步应用到汽车开发中的一种虚拟现实技术，由于其不需要制造物理样车，试验周期短，可以在设计初期发现潜在问题，并能为设计优化提供指导，各大汽车制造企业都在致力于虚拟技术的研究和应用，虚拟技术的应用也是衡量汽车开发能力的重要指标。根据仿真对象的不同目前有虚拟耐久性试验有虚拟台架试验和虚拟试车场两个发展方向，前者已经得到了一定范围的应用，如LMS公司的virtuallab技术，后者具有更广的发展空间。 在汽车开发的不同阶段合理的运用不同的整车耐久性试验方式，能够尽可能早的发现潜在设计问题，最大限度的降低工程风险，缩短开发周期，提高汽车开发质量。
汽车开发过程是一个系统工程，也是一个反复验证、学习的循环过程。其中工程开发一般分为三个相互关联的阶段：概念车开发、结构车开发、集成车开发。概念车开发主要是对：车身承载结构、底盘系统、动力总成系统、空调系统、座椅骨架等基本结构形式的设计验证；结构车开发阶段是对上述系统进行子系统设计验证；集成车设计主要是针对车身覆盖件、内饰件、外饰件的设计验证以及对各个子系统直接交界面的设计验证。
在概念车开发和结构车开发阶段，应当尽可能的减少物理样件的制造和试验，虚拟耐久性试验是重要验证手段，尤其在子系统试验方面虚拟技术能够达到和实际试验较好的相关性。对于一些特别关键的系统，一旦在后期发现重要的设计缺陷将会影响整个产品开发的进程，需要在早期进行物理样件的整车试验，可以将其安装在利用现有近似结构车型和系统，手工打造出所谓的“骡子车”上，利用道路模拟试验台架来验证。集成车开发阶段，集成样车是由能够代表设计意图的零件组装而成，并且这些零件都已经完成了相应的零部件级的试验，其基本体现了将来产品的设计目标，集成样车的试车场道路试验能够综合全面的考核各个系统的耐久性并能够发现系统间互相作用引起的新问题(在开发周期允许的情况下，也会使用由生产模具制造的零部件组成的产品样车，作为试车场道路耐久试验的试验样车)。因此集成样车的试车场道路试验也被作为对工程开发过程中的最终检验，试验顺利完成意味着汽车开发重心由工程开发转移到生产制造。台架道路模拟试验由于其周期较短、重复性好，在解决一些关键系统耐久问题的时候可以利用对比试验来验证工程更改措施的有效性。一些变更内容较为简单的开发项目中也可以利用台架道路模拟耐久性试验来替代试车场道路耐久性试验缩短项目周期。公共道路耐久性试验由于试验周期过长一般不作为工程开发过程验证的一部分，通常利用正式制造的零部件组成的产品样车去执行该试验，作为对产品制造工艺和工程开发的进一步验证。由于其规范简单，能够反映车辆真实的耐久性能，对于一些试验技术发展较迟，缺少产品实际使用数据收集的一些企业，公共道路耐久性试验是一个很好的选择。