陳亮亮

摘 要：隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)及汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對車輛操作的安全性、穩(wěn)定性、可靠性、靈敏性有了更高的要求。面對激烈的汽車行業(yè)競爭，汽車產(chǎn)銷商要滿足用戶要求的同時節(jié)省成本，以提升市場競爭力。汽車疲勞耐久試驗是汽車制造研發(fā)設(shè)計的重要組成部分，對汽車的安全性能有顯著作用。故需加強對汽車研發(fā)體系的相應(yīng)試驗，以準確客觀地評價新能源汽車的疲勞耐久及安全可靠性，提升新能源汽車的整體性能，確保行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 疲勞耐久 問題 試驗

近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，根據(jù)工信部2022年的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國新能源產(chǎn)銷量已達705.8、688.7萬輛，連續(xù)8年占全球新能源汽車產(chǎn)銷首位[1]。隨著產(chǎn)銷量的急劇上升及市場需求增大，新能源汽車的耐久性、可靠性備受矚目。相較于傳統(tǒng)燃油汽車，新能源汽車的優(yōu)勢是變革動力系統(tǒng)，有更加環(huán)保、加速能力更好等優(yōu)點，當前國內(nèi)外對新能源汽車的研究也主要集中在三電性能上，獲得了一定的研究成果[2]。但對新能源汽車的研究僅限于此？答案是否定的。對汽車使用者而言，汽車耐久性、可靠性關(guān)系到出車、使用頻率和用戶使用滿意度。為了提高汽車的可靠性，需對整車及零部件進行疲勞耐久試驗，以確保汽車行駛安全。

1 疲勞耐久問題分析

1.1 耐久性

耐久性是指在合理維修保養(yǎng)條件下對汽車使用壽命的度量，即汽車保持質(zhì)量及功能使用的持久時間[3]?？煽啃詫ζ嚬收祥g隔時間的評估，即汽車壽命與故障次數(shù)的比值。早期的新能源汽車有明顯的缺陷，因其是在傳統(tǒng)燃油車底盤基礎(chǔ)上應(yīng)用了與燃油車差別巨大的電池組，此更換難免會引起重量分配、共振點、受力點的不同，導致新能源汽車整體性能不高。隨著科技進步及市場需求的增大，許多新能源汽車主機廠商為滿足用戶需求及提高企業(yè)競爭力，通過多種方法提高整車的耐久性指標，這就需要對汽車架構(gòu)、系統(tǒng)及重要零部件進行不斷的試驗驗證及設(shè)計改善，使汽車耐久性符合指標。對汽車主機廠商來說，滿足整車耐久性最低標準可定義為多少年的功能壽命和多少萬千米。為了達到該指標，就需整車、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和各項重要零件滿足各自的要求，將其指標從上至下分解到子系統(tǒng)及零件級，要求整車耐久性試驗完成前，不能有失效現(xiàn)象。

1.2 疲勞性

疲勞與耐久性相比，兩者概念上有一定區(qū)別，但是很多情況下會結(jié)合起來看待，具體是指構(gòu)件材料或零件在受到循環(huán)載荷引起的交變應(yīng)力，或是在這種交變應(yīng)力下產(chǎn)生諸多變化的過程，如裂紋、損傷擴展、小范圍脫落，甚至斷裂[4]。材料受這種循環(huán)性的反復加載，不受控制地產(chǎn)生疲勞損壞及裂損，即時嚴格控制了材料的彈性應(yīng)力幅度，也可能發(fā)生不同程度的變化。零件最先發(fā)生的裂紋萌生可能不會對材料構(gòu)件性能產(chǎn)生影響，隨著在裂紋上的反復加載，最終累積加劇為擴展裂損，導致不良綜合結(jié)果。而構(gòu)件在此基礎(chǔ)上繼續(xù)疲勞破損，直至其完全無法正常工作則被認為是疲勞失效。其外因是零件承受變化載荷，內(nèi)因是金屬構(gòu)件或零部件存在錯位、滑移帶、夾雜物、不緊密等天然性的、能引起應(yīng)力集中的缺陷。循環(huán)加載過程中，零件承受著不均勻的應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)會發(fā)生局部塑性改變，而其他應(yīng)力非集中區(qū)會因集中應(yīng)力區(qū)的塑性改變引起裂紋擴展，甚至永久損傷。因加載循環(huán)次數(shù)的不斷增加會隨之加大零件裂紋損傷幾率，當達到一定程度后導致斷裂失效。一般情況下，疲勞可經(jīng)歷裂紋成核、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展、最終斷裂四個階段[5]。

2 疲勞耐久性試驗步驟

疲勞耐久性試驗完整步驟包括：（1）數(shù)據(jù)采集。采集載荷譜數(shù)據(jù)是汽車疲勞耐久性試驗的基礎(chǔ)。首先要對用戶使用用途、環(huán)境進行針對性地數(shù)據(jù)采集，對實測數(shù)據(jù)做多體運動力學、有限元、疲勞壽命等分析，將分析得到的結(jié)果反饋至實驗室臺架進行模擬試驗試驗。實踐中，通常是對汽車的底盤、車身、車架、懸掛、轉(zhuǎn)向等受力件貼應(yīng)力應(yīng)變片。其中，車身車架測量參數(shù)有車門開口處焊點、主結(jié)構(gòu)搭接焊道、R角受力部位、易損傷開裂部位；懸吊系統(tǒng)行程測量參數(shù)有輪胎上下向行程、四方位相對位移，受力測量參數(shù)有輪胎上下、左右、前后力；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測量參數(shù)有轉(zhuǎn)向橫拉桿左右、軸向力。也可接入溫度、載荷、壓力、加速度、位移、數(shù)字脈沖、GPS等傳感器。當前國際上對車輛軸頭受力情況的采集多采用六分力矩傳感器，其具有方便、準確的特點，將軸頭力分部到各部位受力做計算分析[6]。（2）數(shù)據(jù)處理。想要把數(shù)據(jù)變成有用信息，必須對數(shù)據(jù)采集器里的原始數(shù)據(jù)做分析處理。常見的處理方法有信號顯示、編輯、計算、頻譜分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、元數(shù)據(jù)處理等。在進行疲勞耐久試驗中需對原始數(shù)據(jù)中的異常信號進行鑒別和修正，經(jīng)不同方法檢驗數(shù)據(jù)的有效性。把時域數(shù)據(jù)做付里葉變換或雨流計數(shù)，以獲得頻率內(nèi)容或循環(huán)頻次信息。對零部件臺架試驗時，需把采集的數(shù)據(jù)經(jīng)疲勞等效理論轉(zhuǎn)換為加速所需輸入。再經(jīng)CAE數(shù)據(jù)處理軟件從數(shù)據(jù)中提取有限元、多體動力學、疲勞壽命等分析所需的時間域載荷譜。也可通過實測量對疲勞耐久性進行直接預(yù)測。常見的道路普分析處理軟件有ICE-flow GlyphWork、DEWETRON等，其分析原理步驟為：根據(jù)實際物理特性頻率的5-10倍設(shè)定頻率，路面人力信號物理特性在50Hz內(nèi)，設(shè)定測量取樣頻率為256/512Hz，低通慮波為取樣頻率1/2以下，以防止信號重疊或失真，再經(jīng)雨流法原理做相關(guān)計算。（3）實驗分析。在臺架試驗中輸入分析處理后的實驗數(shù)據(jù)，將其作為邊界條件，模仿用戶道路使用條件對整車及零部件做加速疲勞耐久試驗。借助計算機對測量數(shù)據(jù)載荷及應(yīng)力分析做疲勞壽命模擬預(yù)測，優(yōu)化計算結(jié)果，經(jīng)過15天左右即可完成試驗，相較于試驗場40000km疲勞耐久需耗費150天的時間，產(chǎn)品開發(fā)周期及試驗費用得到了極大程度的優(yōu)化。（4）CAE分析。傳統(tǒng)疲勞分析是基于工程實測量及關(guān)鍵的零部件。隨著CAD、CAE技術(shù)的普及，轉(zhuǎn)變?yōu)榱藢φ麄€零部件的疲勞分析?？稍谛履茉雌囋缙谠O(shè)計中應(yīng)用該技術(shù)進行虛擬零部件的疲勞壽命的分析，對達不到標準范圍的做進一步優(yōu)化，以及早避免設(shè)計缺陷隱患，確保實物樣機能順利通過驗證。不僅能有效減少產(chǎn)品開發(fā)周期耗時，還大大降低了制造及驗證成本。分析CAE疲勞原理：對零部件應(yīng)力通過有限元分析獲得應(yīng)變結(jié)果，將其結(jié)合材料疲勞壽命性能，經(jīng)疲勞理論計算出疲勞壽命分布。零部件的載荷與實際工況應(yīng)一致，可從實際試驗中獲得零部件的載荷數(shù)據(jù)。并通過敏感性分析分析影響零部件壽命的各種可能參量，包括不同的材料、不同加工處理、不同應(yīng)力集中、不同組合，以壽命為設(shè)計目標獲得最佳設(shè)計方案。

3 疲勞耐久性具體試驗

3.1 電池耐久性試驗

當前對新能源汽車的電池試驗主要是依據(jù)《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)試驗規(guī)程》，有試驗顯示其通過率不高[7]。雖然新國標對電池振動、擠壓試驗強度、試驗時間的要求有所降低，但卻是對電池試驗的強制性標準。所以，應(yīng)重視新能源汽車電池包振動試驗。汽車行駛中，因振動引起的失效情況較多，如整體密封性、內(nèi)部支架、模組斷裂、內(nèi)部線路斷裂短路、絕緣層松動短路等均會影響電池可靠性，同時還需要載荷結(jié)合電化學腐蝕一起評估整車道路試驗過程中的零件情況，評估是否有功能異常等問題。且電池安裝時，其不同的安裝位置及道路譜載荷也會產(chǎn)生影響，這些都需進行試驗驗證。而新標準中的正弦掃頻試驗并不是表示對實際路譜不做試驗，而是包含在公告試驗中，實際也需進行試驗，同樣，汽車主機廠商也需做路譜振動試驗。對于整車道路試驗，還需要對完成耐久性試驗后的電池包進行性能復測，以充分評估模擬用戶使用一定時間一定里程后的零件情況。

新能源汽車電池安全狀態(tài)非常重要，電池若出現(xiàn)高溫、溫度不均、電壓運行故障會使其性能無法正常發(fā)揮，且減小使用壽命?；仡櫄v來對動力電池的研究可發(fā)現(xiàn)，多集中在電池的安全使用上，指出新能源汽車電池安全故障發(fā)生概率隨著行駛里程數(shù)的增加而加大，可根據(jù)行駛里程把電池安全劃分為1-10的等級，從“非常低”到“特別高”[8]。所以加大對電池的安全試驗和設(shè)計非常必要，以有效減少高溫、內(nèi)部壓力大、過充、短路等故障問題，降低電池安全事故風險。其次，對電池的研發(fā)試驗重點還應(yīng)注重動力電池單體、電池包外殼、電池管等組合，保證三者達到系統(tǒng)性最優(yōu)化組合，以確保電池安全。

3.2 荷載提取試驗

（1）道路耐久性試驗。具體是通過道路行駛模擬對新能源汽車耐久性的進行試驗。在此過程中，需對汽車驅(qū)動力、扭矩值大小進行收集，并對道路中常見的汽車零部件應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進行收集。在公共道路耐久試驗試驗中，需根據(jù)典型道路及結(jié)合駕駛員人員的習慣設(shè)計建立壽命里程。典型道路包括高速公路、國省道、城市道路、鄉(xiāng)村公路等，根據(jù)真實使用環(huán)境進行針對性的耐久性試驗。而為了盡可能滿足用戶需求，耐久性試驗要選擇多種驅(qū)動程序，包括季節(jié)及環(huán)境，如冬季、夏季，腐蝕環(huán)境。其中，冬季試驗是對寒冷條件下汽車的耐低溫性能指標進行觀察試驗，包括發(fā)動機、橡膠部件、電子部件、油管、水管等。夏季試驗是對高溫高濕熱條件下汽車的性能及耐力強度進行試驗，評估發(fā)動機、空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)等的性能屬性。腐蝕環(huán)境試驗是對汽車在各種電化學腐蝕中應(yīng)對的穩(wěn)定程度及耐久程度，部分零件主要是對鹽霧箱，試驗其在高溫高濕熱環(huán)境中浸泡一定時間后的腐蝕程度，以此判定實際使用一年的效果，整車是通過環(huán)境艙、鹽霧室、鹽濺路、石擊路面等組成綜合腐蝕輸入，模擬用戶使用多年后的效果。（2）虛擬耐久性試驗。具體可通過CAE技術(shù)將現(xiàn)實情況置于虛擬環(huán)境中，基于混合多體動力學理論構(gòu)建出汽車結(jié)構(gòu)模型。融入路面特性及工作條件，通過理論疲勞損傷計算汽車各零部件材料，以此預(yù)測汽車的疲勞耐久性，換算出壽命。虛擬耐久性試驗的周期短，可提前優(yōu)化試驗方案，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的隱患問題。也可針對汽車開發(fā)各個階段建立多樣化模擬對象，以進行不同的耐久試驗，主要是針對車身承重結(jié)構(gòu)、底盤系統(tǒng)及功率試驗上。經(jīng)計算機技術(shù)做虛擬耐久試驗，使試驗時間及開發(fā)周期明顯縮短，并從中及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的潛在問題，具有較大的優(yōu)勢。但同時也有不足，因虛擬試驗是計算機迷你試驗，是對現(xiàn)實環(huán)境的簡化版本，會有一定誤差，故該試驗結(jié)論不能代表準確的實際情況，僅適用于前期指導。當然，基于模型精確、參數(shù)復雜的方向，部分系統(tǒng)及零部件計算更加精確，但是對于整車的模擬還是較為薄弱，是今后的發(fā)展方向。從新能源汽車整體發(fā)展思路而言，需要更短的開發(fā)周期，更復雜的整體功能驗證，從道路到試驗室到虛擬開發(fā)，是必然方向，只是需要更多研究和協(xié)同。

3.3 轉(zhuǎn)向疲勞耐久性試驗

轉(zhuǎn)向節(jié)是新能源汽車的架構(gòu)中的重要關(guān)鍵零件，其作用是保證車輛的穩(wěn)定運行形勢，確保行駛方向的靈敏改變[8]。汽車在道路行駛中的方向改變是依據(jù)支承帶動前輪繞主銷做轉(zhuǎn)動，期間的多變沖擊載荷較大。所以對轉(zhuǎn)向節(jié)的強度有嚴格要求。設(shè)計時，為避免行駛中出現(xiàn)裂損等情況，首先要保證轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞壽命滿足現(xiàn)行標準及設(shè)計要求。且汽車轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向節(jié)因需承受彎曲變化的高周疲勞載荷，須提高其強度和耐久疲勞。研究專家也對轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞壽命進行了多年的研究，其研究預(yù)測方式以雨流循環(huán)技術(shù)及線性損傷累計見多。近年來，有學者指出汽車實際轉(zhuǎn)向操作中，轉(zhuǎn)向節(jié)不僅承受多變沖擊載荷，還受隨機輸入非比例載荷影響，故應(yīng)做好轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞強度及耐久性分析試驗，以驗證可靠性。

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)和麥弗遜懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向連桿連接，連接部件多，對疲勞耐久試驗難度大。為避免這種情況，可分別對轉(zhuǎn)向節(jié)和輪轂裝配總成側(cè)向力及垂向力、轉(zhuǎn)向拉臂疲勞進行試驗。關(guān)注連接部位在試驗中是否出現(xiàn)松動、力矩變化。對外觀完好、承受強度略微下降的，可經(jīng)添加Zr、Cu等微量元素，以增加鑄件強度?；仡櫝Ｒ姷霓D(zhuǎn)向節(jié)疲勞失效，發(fā)生部位以右薄壁、過度圓角根部、轉(zhuǎn)向桿連接處居多，故對這些部位的疲勞耐久要做好重點關(guān)注和檢查。除了常規(guī)的轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞耐久試驗外，還可應(yīng)用工業(yè)CT對其進行三維無損探傷，若有裂紋出現(xiàn)，需追溯根源，及時制定解決措施消除問題。一般情況下，疲勞開裂的重災(zāi)區(qū)是感應(yīng)淬火過渡區(qū)，因內(nèi)應(yīng)力較大，易降低轉(zhuǎn)向節(jié)抗疲勞性能?？筛鶕?jù)轉(zhuǎn)向節(jié)幾何機構(gòu)調(diào)整淬火工藝，延展硬化層技術(shù)，消除裂紋或斷裂隱患，以提高轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞耐久的可靠性。

3.4 減速器疲勞耐久性試驗

減速器是新能源汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，使用壽命對整車的安全可靠有著極大的影響[9]。減速器隨著工作時間的增加會提升故障風險，一旦失效，會影響安全駕駛造成事故。為了保障減速器的長期穩(wěn)定可靠性能，需在做好其疲勞耐久試驗，以評估其標準，保障行駛安全。傳統(tǒng)對減速器的疲勞耐久試驗需經(jīng)數(shù)百小時及3-5臺試樣才能獲得可靠試驗結(jié)果，導致周期長、成本高。隨著信息技術(shù)發(fā)展，經(jīng)傳感器采集監(jiān)測數(shù)據(jù)來進行有效分析，以提前評估減速器退化及使用壽命成為了新的研究點。主要借助數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控系統(tǒng)獲得減速器監(jiān)測信號，經(jīng)智能算法提取表征健康狀態(tài)信息，建立性能退化監(jiān)測模型，根據(jù)預(yù)測方法評估減速器壽命。可先應(yīng)用故障樹對減速器的失效形式、原因進行確定分析，應(yīng)用赫茲應(yīng)力理論結(jié)合材料S-N曲線、Miner損傷理論獲得齒輪疲勞壽命，以輔助試驗設(shè)計及結(jié)果的驗證。再經(jīng)多維尺度變換算法與特征向量的融合，以綜合性能退化指標構(gòu)建模型數(shù)據(jù)集，并基于遺傳算法優(yōu)化支持向量回歸建立性能退化監(jiān)測模型，以獲得剩余壽命預(yù)測的實時退化數(shù)據(jù)。最后應(yīng)用非線性Wiener過程剩余壽命預(yù)測法，經(jīng)極大似然估計、貝葉斯法估計未知參數(shù)，設(shè)立試驗終止判定條件，以精確評估減速器的壽命。

4 總結(jié)

通過綜述可知，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，特別是新勢力、華為等的加入，給國內(nèi)外的汽車主機廠商帶來了充分的競爭壓力。為滿足用戶不斷提升的要求，汽車主機廠商應(yīng)提升新能源汽車的整車及零部件耐久性和可靠性，通過科學合理的疲勞耐久試驗，及基于整車道路試驗加速試驗驗證，提升新能源汽車整體性能，為未來汽車行業(yè)及機械工業(yè)競爭發(fā)展提供助力。

參考文獻：

[1]閆博，康一坡，朱學武等.電動車減速器齒輪疲勞斷裂分析與改進[J].計算機輔助工程，2022，31（02）：44-48.

[2]王杰，潘妮.新能源汽車驅(qū)動馬達用高強度無取向電磁鋼板[J].電工鋼，2021，3（02）：49-53.

[3]Jun H ，閻鋒 .電動車組車體底架疲勞裂紋評估[J].國外鐵道車輛，2020，57（06）：38-43.

[4]聶小勇，譚永發(fā)，謝世坤等.某新能源汽車后副車架疲勞失效分析與優(yōu)化[J].井岡山大學學報（自然科學版），2020，41（05）：59-65.

[5]金吟.純電動乘用車減速箱潤滑油的開發(fā)及性能評價[J].石油商技，2020，38（02）：10-13.

[6]王玲瓏，諶勝，章國光等.某車用動力電機結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析[J].電機與控制應(yīng)用，2020，47（01）：97-101.

[7]王恒，韓林，張友新等.以熱塑性硫化橡膠TPV為基材制備中低速非充氣輪胎材料的研究[J].橡塑技術(shù)與裝備，2020，46（06）：34-37.

[8]敖亞.新能源汽車電池電機電控試驗檢測研究[J].南方農(nóng)機，2019，50（24）：39.

[9]譚利，吉光，肖波等.非調(diào)質(zhì)鋼50MnSiV新能源汽車電機軸的開發(fā)[J].特殊鋼，2019，40（05）：71-72.