關于新能源汽車的疲勞耐久問題與相關試驗思考

陳亮亮

摘 要：隨著新能源汽車產業及汽車技術的發展，人們對車輛操作的安全性、穩定性、可靠性、靈敏性有了更高的要求。面對激烈的汽車行業競爭，汽車產銷商要滿足用戶要求的同時節省成本，以提升市場競爭力。汽車疲勞耐久試驗是汽車制造研發設計的重要組成部分，對汽車的安全性能有顯著作用。故需加強對汽車研發體系的相應試驗，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，確保行業健康可持續發展。

關鍵詞：新能源汽車 疲勞耐久 問題 試驗

近年來，我國新能源汽車產業發展迅速，根據工信部2022年的相關數據顯示，我國新能源產銷量已達705.8、688.7萬輛，連續8年占全球新能源汽車產銷首位[1]。隨著產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。相較于傳統燃油汽車，新能源汽車的優勢是變革動力系統，有更加環保、加速能力更好等優點，當前國內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條件下對汽車使用壽命的度量，即汽車保持質量及功能使用的持久時間[3]。可靠性對汽車故障間隔時間的評估，即汽車壽命與故障次數的比值。早期的新能源汽車有明顯的缺陷，因其是在傳統燃油車底盤基礎上應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、系統及重要零部件進行不斷的試驗驗證及設計改善，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、子系統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及零件級，要求整車耐久性試驗完成前，不能有失效現象。

1.2 疲勞性

疲勞與耐久性相比，兩者概念上有一定區別，但是很多情況下會結合起來看待，具體是指構件材料或零件在受到循環載荷引起的交變應力，或是在這種交變應力下產生諸多變化的過程，如裂紋、損傷擴展、小范圍脫落，甚至斷裂[4]。材料受這種循環性的反復加載，不受控制地產生疲勞損壞及裂損，即時嚴格控制了材料的彈性應力幅度，也可能發生不同程度的變化。零件最先發生的裂紋萌生可能不會對材料構件性能產生影響，隨著在裂紋上的反復加載，最終累積加劇為擴展裂損，導致不良綜合結果。而構件在此基礎上繼續疲勞破損，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，內因是金屬構件或零部件存在錯位、滑移帶、夾雜物、不緊密等天然性的、能引起應力集中的缺陷。循環加載過程中，零件承受著不均勻的應力區，應力集中區會發生局部塑性改變，而其他應力非集中區會因集中應力區的塑性改變引起裂紋擴展，甚至永久損傷。因加載循環次數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）數據采集。采集載荷譜數據是汽車疲勞耐久性試驗的基礎。首先要對用戶使用用途、環境進行針對性地數據采集，對實測數據做多體運動力學、有限元、疲勞壽命等分析，將分析得到的結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、轉向等受力件貼應力應變片。其中，車身車架測量參數有車門開口處焊點、主結構搭接焊道、R角受力部位、易損傷開裂部位；懸吊系統行程測量參數有輪胎上下向行程、四方位相對位移，受力測量參數有輪胎上下、左右、前后力；轉向系統測量參數有轉向橫拉桿左右、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）數據處理。想要把數據變成有用信息，必須對數據采集器里的原始數據做分析處理。常見的處理方法有信號顯示、編輯、計算、頻譜分析、數據轉換、元數據處理等。在進行疲勞耐久試驗中需對原始數據中的異常信號進行鑒別和修正，經不同方法檢驗數據的有效性。把時域數據做付里葉變換或雨流計數，以獲得頻率內容或循環頻次信息。對零部件臺架試驗時，需把采集的數據經疲勞等效理論轉換為加速所需輸入。再經CAE數據處理軟件從數據中提取有限元、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：根據實際物理特性頻率的5-10倍設定頻率，路面人力信號物理特性在50Hz內，設定測量取樣頻率為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，再經雨流法原理做相關計算。（3）實驗分析。在臺架試驗中輸入分析處理后的實驗數據，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據載荷及應力分析做疲勞壽命模擬預測，優化計算結果，經過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，產品開發周期及試驗費用得到了極大程度的優化。（4）CAE分析。傳統疲勞分析是基于工程實測量及關鍵的零部件。隨著CAD、CAE技術的普及，轉變為了對整個零部件的疲勞分析。可在新能源汽車早期設計中應用該技術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化，以及早避免設計缺陷隱患，確保實物樣機能順利通過驗證。不僅能有效減少產品開發周期耗時，還大大降低了制造及驗證成本。分析CAE疲勞原理：對零部件應力通過有限元分析獲得應變結果，將其結合材料疲勞壽命性能，經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一致，可從實際試驗中獲得零部件的載荷數據。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、不同應力集中、不同組合，以壽命為設計目標獲得最佳設計方案。

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《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統試驗規程》，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、內部支架、模組斷裂、內部線路斷裂短路、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非常重要，電池若出現高溫、溫度不均、電壓運行故障會使其性能無法正常發揮，且減小使用壽命。回顧歷來對動力電池的研究可發現，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生概率隨著行駛里程數的增加而加大，可根據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計非常必要，以有效減少高溫、內部壓力大、過充、短路等故障問題，降低電池安全事故風險。其次，對電池的研發試驗重點還應注重動力電池單體、電池包外殼、電池管等組合，保證三者達到系統性最優化組合，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力應變數據進行收集。在公共道路耐久試驗試驗中，需根據典型道路及結合駕駛員人員的習慣設計建立壽命里程。典型道路包括高速公路、國省道、城市道路、鄉村公路等，根據真實使用環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動程序，包括季節及環境，如冬季、夏季，腐蝕環境。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，評估發動機、空調系統、冷卻系統、散熱系統等的性能屬性。腐蝕環境試驗是對汽車在各種電化學腐蝕中應對的穩定程度及耐久程度，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技術將現實情況置于虛擬環境中，基于混合多體動力學理論構建出汽車結構模型。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，可提前優化試驗方案，及早發現設計中的隱患問題。也可針對汽車開發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構、底盤系統及功率試驗上。經計算機技術做虛擬耐久試驗，使試驗時間及開發周期明顯縮短，并從中及早發現設計上的潛在問題，具有較大的優勢。但同時也有不足，因虛擬試驗是計算機迷你試驗，是對現實環境的簡化版本，會有一定誤差，故該試驗結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、參數復雜的方向，部分系統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，是今后的發展方向。從新能源汽車整體發展思路而言，需要更短的開發周期，更復雜的整體功能驗證，從道路到試驗室到虛擬開發，是必然方向，只是需要更多研究和協同。

3.3 轉向疲勞耐久性試驗

轉向節是新能源汽車的架構中的重要關鍵零件，其作用是保證車輛的穩定運行形勢，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支承帶動前輪繞主銷做轉動，期間的多變沖擊載荷較大。所以對轉向節的強度有嚴格要求。設計時，為避免行駛中出現裂損等情況，首先要保證轉向節的疲勞壽命滿足現行標準及設計要求。且汽車轉向時，轉向節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。研究專家也對轉向節疲勞壽命進行了多年的研究，其研究預測方式以雨流循環技術及線性損傷累計見多。近年來，有學者指出汽車實際轉向操作中，轉向節不僅承受多變沖擊載荷，還受隨機輸入非比例載荷影響，故應做好轉向節疲勞強度及耐久性分析試驗，以驗證可靠性。

汽車轉向節和麥弗遜懸架系統與轉向連桿連接，連接部件多，對疲勞耐久試驗難度大。為避免這種情況，可分別對轉向節和輪轂裝配總成側向力及垂向力、轉向拉臂疲勞進行試驗。關注連接部位在試驗中是否出現松動、力矩變化。對外觀完好、承受強度略微下降的，可經添加Zr、Cu等微量元素，以增加鑄件強度。回顧常見的轉向節疲勞失效，發生部位以右薄壁、過度圓角根部、轉向桿連接處居多，故對這些部位的疲勞耐久要做好重點關注和檢查。除了常規的轉向節疲勞耐久試驗外，還可應用工業CT對其進行三維無損探傷，若有裂紋出現，需追溯根源，及時制定解決措施消除問題。一般情況下，疲勞開裂的重災區是感應淬火過渡區，因內應力較大，易降低轉向節抗疲勞性能。可根據轉向節幾何機構調整淬火工藝，延展硬化層技術，消除裂紋或斷裂隱患，以提高轉向節疲勞耐久的可靠性。

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。傳統對減速器的疲勞耐久試驗需經數百小時及3-5臺試樣才能獲得可靠試驗結果，導致周期長、成本高。隨著信息技術發展，經傳感器采集監測數據來進行有效分析，以提前評估減速器退化及使用壽命成為了新的研究點。主要借助數據采集、監控系統獲得減速器監測信號，經智能算法提取表征健康狀態信息，建立性能退化監測模型，根據預測方法評估減速器壽命。可先應用故障樹對減速器的失效形式、原因進行確定分析，應用赫茲應力理論結合材料S-N曲線、Miner損傷理論獲得齒輪疲勞壽命，以輔助試驗設計及結果的驗證。再經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建模型數據集，并基于遺傳算法優化支持向量回歸建立性能退化監測模型，以獲得剩余壽命預測的實時退化數據。最后應用非線性Wiener過程剩余壽命預測法，經極大似然估計、貝葉斯法估計未知參數，設立試驗終止判定條件，以精確評估減速器的壽命。

4 總結

通過綜述可知，新能源汽車產業的不斷發展，特別是新勢力、華為等的加入，給國內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，為未來汽車行業及機械工業競爭發展提供助力。

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，謝世坤等.某新能源汽車后副車架疲勞失效分析與優化[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.某車用動力電機結構設計與仿真分析[J].電機與控制應用，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].南方農機，2019，50（24）：39.

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