閔全釗，楊 明，錢(qián)銀超，楊萬(wàn)慶

汽車(chē)內(nèi)外飾可靠性研究及進(jìn)展

閔全釗，楊 明，錢(qián)銀超，楊萬(wàn)慶

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 510640）

汽車(chē)內(nèi)外飾件由于其使用環(huán)境復(fù)雜，在產(chǎn)品研發(fā)中的可靠性顯得尤為重要。論文探討了汽車(chē)內(nèi)外飾可靠性加速試驗(yàn)發(fā)展及其分類(lèi)和性能要求，其中詳細(xì)介紹了人工氣候老化及其原理、振動(dòng)臺(tái)架的分類(lèi)及其適用范圍，同時(shí)在系統(tǒng)耐久試驗(yàn)和安全性試驗(yàn)中通過(guò)舉例說(shuō)明，進(jìn)一步對(duì)可靠性試驗(yàn)的相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。最后，對(duì)汽車(chē)內(nèi)外飾可靠性的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)與展望。

汽車(chē)內(nèi)外飾；可靠性試驗(yàn)；加速試驗(yàn)；氣候老化試驗(yàn)；振動(dòng)試驗(yàn)；發(fā)展方向

汽車(chē)可靠性是指汽車(chē)在規(guī)定的使用壽命和使用條件下，能夠滿足實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能的能力[1]。其提出是為了保障汽車(chē)在使用過(guò)程中，在不斷受到自身和外界氣候環(huán)境、機(jī)械環(huán)境的影響下，仍能正常工作。汽車(chē)內(nèi)外飾通常接受來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)以及地面的激勵(lì)，容易振動(dòng)松動(dòng)，加上環(huán)境溫度、濕度及光照的變化對(duì)材料老化的復(fù)雜影響，因此，對(duì)汽車(chē)內(nèi)外飾可靠性的研究顯得極其重要。

1 內(nèi)外飾可靠性分類(lèi)

目前，汽車(chē)行業(yè)針對(duì)內(nèi)外飾零部件的材料、結(jié)構(gòu)以及使用環(huán)境的不同特點(diǎn)，可靠性要求大致可分為整車(chē)級(jí)可靠性要求和系統(tǒng)級(jí)可靠性要求[2]。

1.1 整車(chē)級(jí)可靠性要求

整車(chē)級(jí)可靠性要求是指內(nèi)外飾零部件在整車(chē)試驗(yàn)環(huán)境條件下應(yīng)該滿足的設(shè)定功能和技術(shù)指標(biāo)，主要包括耐久性要求、耐候性要求等。

圖1 常見(jiàn)整車(chē)級(jí)可靠性試驗(yàn)

表1 內(nèi)外飾零部件相關(guān)整車(chē)試驗(yàn)

試驗(yàn)類(lèi)型可靠性試驗(yàn)種類(lèi) 整車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)整車(chē)環(huán)境耐久模擬試驗(yàn)、綜合道路環(huán)境模擬試驗(yàn)、砌塊路耐久性試驗(yàn)、滑行試驗(yàn)、噪聲與振動(dòng)試驗(yàn)、碰撞試驗(yàn)、雨淋試驗(yàn)、整車(chē)水侵入試驗(yàn)、車(chē)輛腐蝕性能試驗(yàn)、整車(chē)涉水試驗(yàn)等 整車(chē)道路試驗(yàn)?zāi)秃蛐云胀ǖ缆纺途迷囼?yàn)、夏/冬季耐久性試驗(yàn)、高速耐久性試驗(yàn)、整車(chē)16萬(wàn)公里道路試驗(yàn)、非限速專用公路耐久性試驗(yàn)等

整車(chē)級(jí)可靠性要求一般通過(guò)整車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)和整車(chē)道路試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。內(nèi)外飾零件相關(guān)的整車(chē)試驗(yàn)如圖1和表1所示。

1.2 系統(tǒng)級(jí)可靠性要求

系統(tǒng)級(jí)可靠性要求是指滿足內(nèi)外飾零部件系統(tǒng)自身的技術(shù)及性能要求，主要包括功能可靠性和耐久可靠性。功能可靠性要求是指內(nèi)外飾零部件必須具備的規(guī)定功能及其技術(shù)指標(biāo)，這里所指的規(guī)定功能是指汽車(chē)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)定的各種功能、性能和要求。耐久可靠性要求是指內(nèi)外飾零部件在規(guī)定時(shí)間和條件下，仍具備規(guī)定的功能及其技術(shù)指標(biāo)。這里所說(shuō)的規(guī)定時(shí)間和條件是指環(huán)境試驗(yàn)的周期和頻次。

系統(tǒng)級(jí)可靠性要求是通過(guò)模擬系統(tǒng)使用環(huán)境的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖2所示。內(nèi)外飾零部件系統(tǒng)級(jí)可靠性要求和試驗(yàn)，如表2所示，其具體的失效模式如表3所示。

圖2 常見(jiàn)內(nèi)外飾臺(tái)架試驗(yàn)

表2 內(nèi)外飾零部件系統(tǒng)級(jí)可靠性要求和試驗(yàn)種類(lèi)

可靠性要求可靠性試驗(yàn)種類(lèi) 功能可靠性照明系統(tǒng)配光性、氣囊/安全帶等的碰撞安全性、座椅的乘坐安全性和舒適性、刮水器刮刷性、氣囊點(diǎn)爆試驗(yàn)、碰撞試驗(yàn)、保險(xiǎn)杠的碰撞吸能性、飾件系統(tǒng)的遮蔽美觀性/耐沖擊性/密封性等碰撞試驗(yàn)、氣囊爆破試驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)、配光試驗(yàn)等 耐久可靠性結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)要求、裝配可靠性要求、耐刮擦性要求、耐高低溫性要求、耐腐蝕性要求、耐光照性要求等運(yùn)動(dòng)件往復(fù)耐久性試驗(yàn)、高低溫存放試驗(yàn)、耐試劑腐蝕試驗(yàn)、氣候老化試驗(yàn)

表3 汽車(chē)內(nèi)外飾常見(jiàn)失效模式分類(lèi)

失效模式表現(xiàn)形式誘發(fā)因素 損壞失效應(yīng)力沖擊、卡死、斷裂、開(kāi)裂、彎曲、塑性變形、點(diǎn)蝕、燒蝕、蠕變、剝落、錯(cuò)位、裂紋等應(yīng)力沖擊、疲勞、磨損、材料、腐蝕 退化失效腐蝕、正常磨損、老化、變色、變質(zhì)、涂層剝落、積炭等自然磨損、老化以及環(huán)境誘發(fā) 松脫失效松動(dòng)、脫落等材質(zhì)問(wèn)題、結(jié)構(gòu)等

2 內(nèi)外飾可靠性試驗(yàn)

2.1 內(nèi)外飾氣候老化試驗(yàn)

使用汽車(chē)不可避免地會(huì)受到外部環(huán)境的影響，汽車(chē)的性能會(huì)隨著時(shí)間的推移逐步降低，無(wú)論材料、零部件、整車(chē)都會(huì)逐步老化。汽車(chē)內(nèi)外飾件因不同的失效模式，一般會(huì)伴隨產(chǎn)品外觀變化，常見(jiàn)外觀變化如圖3所示。

對(duì)于汽車(chē)內(nèi)外飾老化[3]而言，材料自然老化可得到最貼合于實(shí)際使用情況，但材料自然老化試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)，不能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。因此，汽車(chē)主機(jī)廠通常采用材料光氧化的特定波段的試驗(yàn)室光源對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行人工加速老化，以期待在較短的時(shí)間內(nèi)獲得不同老化狀態(tài)的產(chǎn)品，如表4所示。目前，在汽車(chē)內(nèi)外飾材料的人工加速老化試驗(yàn)領(lǐng)域其原理[4-7]來(lái)源主要如表5所示。

圖3 常見(jiàn)氣候老化外觀變化狀態(tài)

表4 汽車(chē)自然氣候老化與加速老化試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)用途 自然老化（1）檢驗(yàn)汽車(chē)整車(chē)、零部件及材料耐候性最真實(shí)可靠的試驗(yàn)方法（2）作為設(shè)計(jì)加速老化試驗(yàn)的基礎(chǔ)（1）環(huán)境因素不可控（2）試驗(yàn)條件不具有可重復(fù)性（3）試驗(yàn)周期長(zhǎng)自然氣候老化試驗(yàn)主要用于汽車(chē)耐候性的最終確認(rèn)，并作為研發(fā)模擬氣候老化試驗(yàn)的基礎(chǔ) 加速老化（1）試驗(yàn)條件可控制（2）試驗(yàn)重復(fù)性好（3）試驗(yàn)周期短無(wú)法完全模擬實(shí)際使用環(huán)境主要用于汽車(chē)材料和零部件耐候性的質(zhì)量控制和快速篩選

表5 加速老化原理

方法原理公式參數(shù)說(shuō)明 Arrhenius公式將較高溫度下加速老化測(cè)定的結(jié)果，使用Arrhenius公式溫度進(jìn)行外推來(lái)預(yù)測(cè)壽命tf為材料壽命；k為老化速率；A、n為常數(shù)；ΔE為活化能；R為氣體常數(shù)；T為老化溫度；S為除溫度外的影響因素，如時(shí)間、濕度等

表5 （續(xù)）

Hallberg-Peck公式不直接受光照，環(huán)境工況只受溫度和濕度影響AF為加速因子；Ea為活化能；R為常數(shù)；Tu、Tt分別為實(shí)際使用和加速條件下溫度；RHu、RHt分別為實(shí)際使用和加速條件下相對(duì)濕度 Dakin公式設(shè)定的某個(gè)性能變化至臨界值Pe所需的時(shí)間tf為材料壽命；Pe為某性能的臨界值；a、b為常數(shù) 曲線疊合法將高溫下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)一定原則疊合得到常溫變化曲線或WLF方程：tf和t0分別為老化溫度T和參考溫度T0下的材料壽命；aT為位移因子；b、C1、C2為常數(shù) 老化溫度系數(shù)法當(dāng)某種性能達(dá)到一定值時(shí)，在溫度Tf下需要的時(shí)間t1和在T1+10 K溫度下需要的時(shí)間t2的比值Tf為老化溫度系數(shù)；B1、B2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

2.2 內(nèi)外飾振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)

采用振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)[8]是除了整車(chē)道路試驗(yàn)外檢驗(yàn)內(nèi)外飾產(chǎn)品壽命的有效手段，其是將部分車(chē)身按照相關(guān)要求切割并進(jìn)行特殊處理的模塊作為振動(dòng)試驗(yàn)的測(cè)試工裝，使用隨機(jī)振動(dòng)或模擬道路仿真的頻率進(jìn)行試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)?zāi)K內(nèi)全部測(cè)試件的零件可靠性，模塊化的車(chē)身有效降低了對(duì)試驗(yàn)臺(tái)尺寸的要求，確保大多數(shù)振動(dòng)臺(tái)都能滿足條件，可有效控制試驗(yàn)成本。

一般在內(nèi)外飾件的成型過(guò)程中，因?yàn)樽⑺芗尚偷倪^(guò)程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且在汽車(chē)行駛的過(guò)程中，零部件系統(tǒng)始終受到發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)或者路面不平引起的車(chē)體激勵(lì)，在這復(fù)雜激勵(lì)環(huán)境下，零部件勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)會(huì)對(duì)內(nèi)外飾結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的疲勞損傷，當(dāng)這種損傷累積到一定程度時(shí)，零部件系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生裂紋；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致零部件破損甚至斷裂。

目前適用于內(nèi)外飾的振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)主要包括三種形式[9]，如表6所示，其一是恒定環(huán)境溫度的振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)，其二是包含環(huán)境溫度變化的振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)，其三是結(jié)合冷熱溫循環(huán)振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)，包含溫度和濕度，以及模擬陽(yáng)光的綜合試驗(yàn)條件和模擬整車(chē)路譜的振動(dòng)進(jìn)行，使得測(cè)試條件更加貼合或高于實(shí)際使用工況，如圖4所示。目前振動(dòng)臺(tái)架的選取多為三軸振動(dòng)臺(tái)模擬車(chē)身在三個(gè)方向上的單自由度振動(dòng)，其發(fā)展趨勢(shì)正在由單自由度向多自由度振動(dòng)轉(zhuǎn)變，而模擬陽(yáng)光一般是采用紅外加熱或模擬日照光譜的使用環(huán)境。

圖4 振動(dòng)臺(tái)架流程

表6 常見(jiàn)振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)

振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)類(lèi)型特點(diǎn)適用范圍 恒定溫度/恒定頻率試驗(yàn)周期短，能快速驗(yàn)證產(chǎn)品機(jī)械性能變化，但不能反映外觀老化變化某溫度的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)板、前端模塊、蓄電池托盤(pán)等 交變溫度/變化頻率試驗(yàn)周期中等，能快速驗(yàn)證產(chǎn)品機(jī)械性變化，溫度變化引起的材料特性的變化（變形、開(kāi)裂）（1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；（2）溫度變化導(dǎo)致的產(chǎn)品變形如前組合燈等 冷熱循環(huán)/變化頻率（交變溫度+濕度、陽(yáng)光模擬）試驗(yàn)周期長(zhǎng)，更貼合實(shí)際使用工況，極大暴露由單項(xiàng)或組合試驗(yàn)未能復(fù)現(xiàn)綜合問(wèn)題；且一定程度上能反饋外觀老化程度（1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；（2）外觀質(zhì)量，如儀表板、座椅等

2.3 系統(tǒng)耐久試驗(yàn)

對(duì)于運(yùn)動(dòng)往復(fù)或多次折疊等操作的功能件來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)耐久試驗(yàn)[10]是十分必要的。常見(jiàn)的汽車(chē)系統(tǒng)耐久試驗(yàn)主要包括開(kāi)閉耐久試驗(yàn)[11]，其主要為四門(mén)兩蓋開(kāi)閉耐久試驗(yàn)、天窗耐久試驗(yàn)、門(mén)把手的開(kāi)合實(shí)驗(yàn)、儀表板手套箱和中控的儲(chǔ)物盒蓋的耐久試驗(yàn)以及雨刮刮刷試驗(yàn)等。系統(tǒng)耐久試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要根據(jù)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中使用的頻率（開(kāi)閉次數(shù)）、沖擊載荷的大?。P(guān)閉速度）以及自然環(huán)境等因素。

這類(lèi)試驗(yàn)條件設(shè)置在產(chǎn)品的極限環(huán)境 ?40 ℃～80 ℃溫度環(huán)境下進(jìn)行，一般采用機(jī)器人或氣缸設(shè)計(jì)測(cè)試臺(tái)架模擬人的動(dòng)作，從而檢驗(yàn)產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。汽車(chē)內(nèi)外飾件的耐久試驗(yàn)對(duì)設(shè)備要求較為苛刻，其一是內(nèi)外飾覆蓋的運(yùn)動(dòng)件都較為龐大，例如尾門(mén)總成、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋總成、車(chē)門(mén)總成和天窗總成等都必須使用部分鈑金車(chē)身；其二是使用的測(cè)試設(shè)備體積大，例如車(chē)門(mén)的四門(mén)耐久需要對(duì)四個(gè)車(chē)門(mén)同時(shí)進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉，車(chē)內(nèi)需要設(shè)計(jì)開(kāi)啟裝置，外部需要關(guān)閉裝置。

2.4 安全性試驗(yàn)

安全性試驗(yàn)，一般是指保證汽車(chē)碰撞安全可靠性的試驗(yàn)，例如針對(duì)前后保險(xiǎn)杠的碰撞試驗(yàn)，在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段也用到系統(tǒng)級(jí)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，方便在項(xiàng)目初期對(duì)保險(xiǎn)杠模塊進(jìn)行驗(yàn)證以滿足相關(guān)碰撞法規(guī)。而駕駛員安全氣囊在車(chē)輛碰撞中必須對(duì)駕駛者起到保護(hù)作用，因此，針對(duì)安全氣囊是否能正常打開(kāi)進(jìn)行各個(gè)批次的氣囊點(diǎn)爆驗(yàn)證試驗(yàn)[12]。該試驗(yàn)需要通過(guò)配合車(chē)身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行，試驗(yàn)要求臺(tái)架在溫度箱高溫、室溫、低溫下放置4小時(shí)以上進(jìn)行點(diǎn)爆，點(diǎn)爆后無(wú)碎片飛出或零件分離以及氣袋沒(méi)有破損為合格。

3 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)外飾可靠性問(wèn)題越來(lái)越受到各大主機(jī)廠的重視，但是相對(duì)于國(guó)外主機(jī)廠，目前國(guó)內(nèi)主機(jī)廠對(duì)可靠性的研究仍未成體系，與國(guó)外存在很大差距。因此，要加強(qiáng)國(guó)內(nèi)汽車(chē)可靠性方面的研究，使可靠性融入產(chǎn)品正向開(kāi)發(fā)的各個(gè)研發(fā)階段。

（1）汽車(chē)內(nèi)外飾因其具有使用環(huán)境復(fù)雜以及外觀質(zhì)量敏感度高等綜合特點(diǎn)，因此，制定貼合實(shí)際使用環(huán)境且快速驗(yàn)證的試驗(yàn)方法，提高驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)?zāi)芰︼@得十分重要。

（2）汽車(chē)內(nèi)外飾加速老化試驗(yàn)大部分仍只是考慮氣候等外部條件的影響，但實(shí)際車(chē)輛使用環(huán)境不僅來(lái)自氣候的影響，應(yīng)結(jié)合機(jī)械應(yīng)力如振動(dòng)等對(duì)老化的影響機(jī)理，摸索并建立更加符合實(shí)際使用環(huán)境的加速老化的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

[1] 郭一鳴.汽車(chē)可靠性[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] 邱國(guó)華.汽車(chē)內(nèi)外飾設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2019.

[3] 田永.汽車(chē)外飾塑料零部件的耐溫性試驗(yàn)評(píng)述[J].上海汽車(chē),2009(7):41-44.

[4] 譚紅香,段星春.高分子材料人工加速光老化[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,27(S2):245-247.

[5] 鄧愛(ài)民,陳循,張春華,等.加速退化試驗(yàn)技術(shù)綜述[J].兵工學(xué)報(bào),2007(8):1002-1007.

[6] 朱志鵬,皮紅,郭少云,等.應(yīng)力作用下高分子材料的老化行為研究[J].聚氯乙烯,2008(2):6-9,12.

[7] 孫杏蕾,王振堯,王納新,等.汽車(chē)材料大氣腐蝕和實(shí)驗(yàn)室加速循環(huán)腐蝕試驗(yàn)方法的相關(guān)性研究[J].上海涂料,2018,56(2):9-12.

[8] 張偉.溫、濕、振三綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2004(6):38-41.

[9] 吳瀟,李占江.淺談汽車(chē)行業(yè)中的振動(dòng)試驗(yàn)[J].汽車(chē)電器,2018(1):48-51.

[10] 鄧茗馨.汽車(chē)內(nèi)外飾系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)的相關(guān)概述[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2021,46(5):160-162.

[11] 漆暉.汽車(chē)車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與方法研究[J].上海汽車(chē),2019(4):56-62.

[12] 毛溶潔,張彬,黃成.汽車(chē)駕駛?cè)税踩珰饽以囼?yàn)需求分析與應(yīng)用[C]//2015中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì).北京:中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì),2015:72-75.

Research and Progress on Automotive Reliability for Interior and Exterior Parts

MIN Quanzhao, YANG Ming, QIAN Yinchao, YANG Wanqing

( Automotive Engineering Research Institute, Guangzhou Automotive Group Company Limited,Guangzhou 510640, China )

The reliability of automotive interior and exterior parts is particularly important in product development for the complexity of the use environment. The accelerated development of automotive reliability for interior and exterior parts, as well as its classification and performance requirements were introduced in this paper. The artificial weathering aging test and its principle, the classification and application scope of vibration bench were introduced in detail. At the same time, it was illustrated by example in the system durability test and safety test. The research status of reliability tests was further summarized. Finally, the development direction of automotive reliability for interior and exterior parts was summarized and prospected.

Automotive interior and exterior parts; Reliability test; Accelerated test;Weathering aging test; Vibration test;Development direction

U462.2+2

A

1671-7988(2022)21-202-05

U462.2+2

A

1671-7988(2022)21-202-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.038

閔全釗（1988－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)外飾件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)，E-mail:minquanzhao@gacrnd.com。