汽車內外飾可靠性研究及進展

閔全釗，楊 明，錢銀超，楊萬慶

汽車內外飾可靠性研究及進展

閔全釗，楊 明，錢銀超，楊萬慶

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

汽車內外飾件由于其使用環(huán)境復雜，在產品研發(fā)中的可靠性顯得尤為重要。論文探討了汽車內外飾可靠性加速試驗發(fā)展及其分類和性能要求，其中詳細介紹了人工氣候老化及其原理、振動臺架的分類及其適用范圍，同時在系統(tǒng)耐久試驗和安全性試驗中通過舉例說明，進一步對可靠性試驗的相關研究現(xiàn)狀進行了概述。最后，對汽車內外飾可靠性的發(fā)展方向進行了總結與展望。

汽車內外飾；可靠性試驗；加速試驗；氣候老化試驗；振動試驗；發(fā)展方向

汽車可靠性是指汽車在規(guī)定的使用壽命和使用條件下，能夠滿足實現(xiàn)設定功能的能力[1]。其提出是為了保障汽車在使用過程中，在不斷受到自身和外界氣候環(huán)境、機械環(huán)境的影響下，仍能正常工作。汽車內外飾通常接受來自發(fā)動機、電機以及地面的激勵，容易振動松動，加上環(huán)境溫度、濕度及光照的變化對材料老化的復雜影響，因此，對汽車內外飾可靠性的研究顯得極其重要。

1 內外飾可靠性分類

目前，汽車行業(yè)針對內外飾零部件的材料、結構以及使用環(huán)境的不同特點，可靠性要求大致可分為整車級可靠性要求和系統(tǒng)級可靠性要求[2]。

1.1 整車級可靠性要求

整車級可靠性要求是指內外飾零部件在整車試驗環(huán)境條件下應該滿足的設定功能和技術指標，主要包括耐久性要求、耐候性要求等。

圖1 常見整車級可靠性試驗

表1 內外飾零部件相關整車試驗

試驗類型可靠性試驗種類 整車試驗場試驗整車環(huán)境耐久模擬試驗、綜合道路環(huán)境模擬試驗、砌塊路耐久性試驗、滑行試驗、噪聲與振動試驗、碰撞試驗、雨淋試驗、整車水侵入試驗、車輛腐蝕性能試驗、整車涉水試驗等 整車道路試驗耐候性普通道路耐久試驗、夏/冬季耐久性試驗、高速耐久性試驗、整車16萬公里道路試驗、非限速專用公路耐久性試驗等

整車級可靠性要求一般通過整車試驗場試驗和整車道路試驗進行驗證。內外飾零件相關的整車試驗如圖1和表1所示。

1.2 系統(tǒng)級可靠性要求

系統(tǒng)級可靠性要求是指滿足內外飾零部件系統(tǒng)自身的技術及性能要求，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外飾零部件必須具備的規(guī)定功能及其技術指標，這里所指的規(guī)定功能是指汽車設計任務書、使用說明書以及國家標準等規(guī)定的各種功能、性能和要求。耐久可靠性要求是指內外飾零部件在規(guī)定時間和條件下，仍具備規(guī)定的功能及其技術指標。這里所說的規(guī)定時間和條件是指環(huán)境試驗的周期和頻次。

系統(tǒng)級可靠性要求是通過模擬系統(tǒng)使用環(huán)境的試驗來進行驗證，如圖2所示。內外飾零部件系統(tǒng)級可靠性要求和試驗，如表2所示，其具體的失效模式如表3所示。

圖2 常見內外飾臺架試驗

表2 內外飾零部件系統(tǒng)級可靠性要求和試驗種類

可靠性要求可靠性試驗種類 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、氣囊點爆試驗、碰撞試驗、保險杠的碰撞吸能性、飾件系統(tǒng)的遮蔽美觀性/耐沖擊性/密封性等碰撞試驗、氣囊爆破試驗、運動模擬試驗、振動臺架試驗、配光試驗等 耐久可靠性結構的強度、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、耐光照性要求等運動件往復耐久性試驗、高低溫存放試驗、耐試劑腐蝕試驗、氣候老化試驗

表3 汽車內外飾常見失效模式分類

失效模式表現(xiàn)形式誘發(fā)因素 損壞失效應力沖擊、卡死、斷裂、開裂、彎曲、塑性變形、點蝕、燒蝕、蠕變、剝落、錯位、裂紋等應力沖擊、疲勞、磨損、材料、腐蝕 退化失效腐蝕、正常磨損、老化、變色、變質、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、脫落等材質問題、結構等

2 內外飾可靠性試驗

2.1 內外飾氣候老化試驗

使用汽車不可避免地會受到外部環(huán)境的影響，汽車的性能會隨著時間的推移逐步降低，無論材料、零部件、整車都會逐步老化。汽車內外飾件因不同的失效模式，一般會伴隨產品外觀變化，常見外觀變化如圖3所示。

對于汽車內外飾老化[3]而言，材料自然老化可得到最貼合于實際使用情況，但材料自然老化試驗周期過長，不能滿足產品設計的開發(fā)時間。因此，汽車主機廠通常采用材料光氧化的特定波段的試驗室光源對產品進行人工加速老化，以期待在較短的時間內獲得不同老化狀態(tài)的產品，如表4所示。目前，在汽車內外飾材料的人工加速老化試驗領域其原理[4-7]來源主要如表5所示。

圖3 常見氣候老化外觀變化狀態(tài)

表4 汽車自然氣候老化與加速老化試驗對比

試驗方法優(yōu)點缺點用途 自然老化（1）檢驗汽車整車、零部件及材料耐候性最真實可靠的試驗方法（2）作為設計加速老化試驗的基礎（1）環(huán)境因素不可控（2）試驗條件不具有可重復性（3）試驗周期長自然氣候老化試驗主要用于汽車耐候性的最終確認，并作為研發(fā)模擬氣候老化試驗的基礎 加速老化（1）試驗條件可控制（2）試驗重復性好（3）試驗周期短無法完全模擬實際使用環(huán)境主要用于汽車材料和零部件耐候性的質量控制和快速篩選

表5 加速老化原理

方法原理公式參數(shù)說明 Arrhenius公式將較高溫度下加速老化測定的結果，使用Arrhenius公式溫度進行外推來預測壽命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分別為實際使用和加速條件下溫度；RHu、RHt分別為實際使用和加速條件下相對濕度 Dakin公式設定的某個性能變化至臨界值Pe所需的時間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數(shù)據(jù)通過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)法當某種性能達到一定值時，在溫度Tf下需要的時間t1和在T1+10 K溫度下需要的時間t2的比值Tf為老化溫度系數(shù)；B1、B2為經驗常數(shù)

2.2 內外飾振動臺架試驗

采用振動臺架試驗[8]是除了整車道路試驗外檢驗內外飾產品壽命的有效手段，其是將部分車身按照相關要求切割并進行特殊處理的模塊作為振動試驗的測試工裝，使用隨機振動或模擬道路仿真的頻率進行試驗，可以檢驗模塊內全部測試件的零件可靠性，模塊化的車身有效降低了對試驗臺尺寸的要求，確保大多數(shù)振動臺都能滿足條件，可有效控制試驗成本。

一般在內外飾件的成型過程中，因為注塑件成型的過程中容易產生應力集中，并且在汽車行駛的過程中，零部件系統(tǒng)始終受到發(fā)動機激勵或者路面不平引起的車體激勵，在這復雜激勵環(huán)境下，零部件勢必會產生振動。長時間的振動會對內外飾結構產生不可逆的疲勞損傷，當這種損傷累積到一定程度時，零部件系統(tǒng)會產生裂紋；當裂紋擴展到一定程度時，將會導致零部件破損甚至斷裂。

目前適用于內外飾的振動臺架試驗主要包括三種形式[9]，如表6所示，其一是恒定環(huán)境溫度的振動臺架試驗，其二是包含環(huán)境溫度變化的振動臺架試驗，其三是結合冷熱溫循環(huán)振動臺架試驗，包含溫度和濕度，以及模擬陽光的綜合試驗條件和模擬整車路譜的振動進行，使得測試條件更加貼合或高于實際使用工況，如圖4所示。目前振動臺架的選取多為三軸振動臺模擬車身在三個方向上的單自由度振動，其發(fā)展趨勢正在由單自由度向多自由度振動轉變，而模擬陽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 振動臺架流程

表6 常見振動臺架試驗

振動臺架試驗類型特點適用范圍 恒定溫度/恒定頻率試驗周期短，能快速驗證產品機械性能變化，但不能反映外觀老化變化某溫度的結構強度，如發(fā)動機護板、前端模塊、蓄電池托盤等 交變溫度/變化頻率試驗周期中等，能快速驗證產品機械性變化，溫度變化引起的材料特性的變化（變形、開裂）（1）結構強度；（2）溫度變化導致的產品變形如前組合燈等 冷熱循環(huán)/變化頻率（交變溫度+濕度、陽光模擬）試驗周期長，更貼合實際使用工況，極大暴露由單項或組合試驗未能復現(xiàn)綜合問題；且一定程度上能反饋外觀老化程度（1）結構強度；（2）外觀質量，如儀表板、座椅等

2.3 系統(tǒng)耐久試驗

對于運動往復或多次折疊等操作的功能件來說，系統(tǒng)耐久試驗[10]是十分必要的。常見的汽車系統(tǒng)耐久試驗主要包括開閉耐久試驗[11]，其主要為四門兩蓋開閉耐久試驗、天窗耐久試驗、門把手的開合實驗、儀表板手套箱和中控的儲物盒蓋的耐久試驗以及雨刮刮刷試驗等。系統(tǒng)耐久試驗的試驗設計主要根據(jù)產品在整個生命周期中使用的頻率（開閉次數(shù)）、沖擊載荷的大?。P閉速度）以及自然環(huán)境等因素。

這類試驗條件設置在產品的極限環(huán)境 ?40 ℃～80 ℃溫度環(huán)境下進行，一般采用機器人或氣缸設計測試臺架模擬人的動作，從而檢驗產品的質量和使用壽命。汽車內外飾件的耐久試驗對設備要求較為苛刻，其一是內外飾覆蓋的運動件都較為龐大，例如尾門總成、發(fā)動機蓋總成、車門總成和天窗總成等都必須使用部分鈑金車身；其二是使用的測試設備體積大，例如車門的四門耐久需要對四個車門同時進行開啟和關閉，車內需要設計開啟裝置，外部需要關閉裝置。

2.4 安全性試驗

安全性試驗，一般是指保證汽車碰撞安全可靠性的試驗，例如針對前后保險杠的碰撞試驗，在開發(fā)設計階段也用到系統(tǒng)級臺架進行試驗，方便在項目初期對保險杠模塊進行驗證以滿足相關碰撞法規(guī)。而駕駛員安全氣囊在車輛碰撞中必須對駕駛者起到保護作用，因此，針對安全氣囊是否能正常打開進行各個批次的氣囊點爆驗證試驗[12]。該試驗需要通過配合車身的結構進行，試驗要求臺架在溫度箱高溫、室溫、低溫下放置4小時以上進行點爆，點爆后無碎片飛出或零件分離以及氣袋沒有破損為合格。

3 結語

內外飾可靠性問題越來越受到各大主機廠的重視，但是相對于國外主機廠，目前國內主機廠對可靠性的研究仍未成體系，與國外存在很大差距。因此，要加強國內汽車可靠性方面的研究，使可靠性融入產品正向開發(fā)的各個研發(fā)階段。

（1）汽車內外飾因其具有使用環(huán)境復雜以及外觀質量敏感度高等綜合特點，因此，制定貼合實際使用環(huán)境且快速驗證的試驗方法，提高驗證產品可靠性試驗能力顯得十分重要。

（2）汽車內外飾加速老化試驗大部分仍只是考慮氣候等外部條件的影響，但實際車輛使用環(huán)境不僅來自氣候的影響，應結合機械應力如振動等對老化的影響機理，摸索并建立更加符合實際使用環(huán)境的加速老化的測試方法和評價指標。

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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，研究方向為汽車外飾件設計、模具設計，E-mail:minquanzhao@gacrnd.com。