汽车内外饰可靠性研究及进展

闵全钊，杨 明，钱银超，杨万庆

汽车内外饰可靠性研究及进展

闵全钊，杨 明，钱银超，杨万庆

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 510640）

汽车内外饰件由于其使用环境复杂，在产品研发中的可靠性显得尤为重要。论文探讨了汽车内外饰可靠性加速试验发展及其分类和性能要求，其中详细介绍了人工气候老化及其原理、振动台架的分类及其适用范围，同时在系统耐久试验和安全性试验中通过举例说明，进一步对可靠性试验的相关研究现状进行了概述。最后，对汽车内外饰可靠性的发展方向进行了总结与展望。

汽车内外饰；可靠性试验；加速试验；气候老化试验；振动试验；发展方向

汽车可靠性是指汽车在规定的使用寿命和使用条件下，能够满足实现设定功能的能力[1]。其提出是为了保障汽车在使用过程中，在不断受到自身和外界气候环境、机械环境的影响下，仍能正常工作。汽车内外饰通常接受来自发动机、电机以及地面的激励，容易振动松动，加上环境温度、湿度及光照的变化对材料老化的复杂影响，因此，对汽车内外饰可靠性的研究显得极其重要。

1 内外饰可靠性分类

目前，汽车行业针对内外饰零部件的材料、结构以及使用环境的不同特点，可靠性要求大致可分为整车级可靠性要求和系统级可靠性要求[2]。

1.1 整车级可靠性要求

整车级可靠性要求是指内外饰零部件在整车试验环境条件下应该满足的设定功能和技术指标，主要包括耐久性要求、耐候性要求等。

图1 常见整车级可靠性试验

表1 内外饰零部件相关整车试验

试验类型可靠性试验种类 整车试验场试验整车环境耐久模拟试验、综合道路环境模拟试验、砌块路耐久性试验、滑行试验、噪声与振动试验、碰撞试验、雨淋试验、整车水侵入试验、车辆腐蚀性能试验、整车涉水试验等 整车道路试验耐候性普通道路耐久试验、夏/冬季耐久性试验、高速耐久性试验、整车16万公里道路试验、非限速专用公路耐久性试验等

整车级可靠性要求一般通过整车试验场试验和整车道路试验进行验证。内外饰零件相关的整车试验如图1和表1所示。

1.2 系统级可靠性要求

系统级可靠性要求是指满足内外饰零部件系统自身的技术及性能要求，主要包括功能可靠性和耐久可靠性。功能可靠性要求是指内外饰零部件必须具备的规定功能及其技术指标，这里所指的规定功能是指汽车设计任务书、使用说明书以及国家标准等规定的各种功能、性能和要求。耐久可靠性要求是指内外饰零部件在规定时间和条件下，仍具备规定的功能及其技术指标。这里所说的规定时间和条件是指环境试验的周期和频次。

系统级可靠性要求是通过模拟系统使用环境的试验来进行验证，如图2所示。内外饰零部件系统级可靠性要求和试验，如表2所示，其具体的失效模式如表3所示。

图2 常见内外饰台架试验

表2 内外饰零部件系统级可靠性要求和试验种类

可靠性要求可靠性试验种类 功能可靠性照明系统配光性、气囊/安全带等的碰撞安全性、座椅的乘坐安全性和舒适性、刮水器刮刷性、气囊点爆试验、碰撞试验、保险杠的碰撞吸能性、饰件系统的遮蔽美观性/耐冲击性/密封性等碰撞试验、气囊爆破试验、运动模拟试验、振动台架试验、配光试验等 耐久可靠性结构的强度、刚度、模态要求、装配可靠性要求、耐刮擦性要求、耐高低温性要求、耐腐蚀性要求、耐光照性要求等运动件往复耐久性试验、高低温存放试验、耐试剂腐蚀试验、气候老化试验

表3 汽车内外饰常见失效模式分类

失效模式表现形式诱发因素 损坏失效应力冲击、卡死、断裂、开裂、弯曲、塑性变形、点蚀、烧蚀、蠕变、剥落、错位、裂纹等应力冲击、疲劳、磨损、材料、腐蚀 退化失效腐蚀、正常磨损、老化、变色、变质、涂层剥落、积炭等自然磨损、老化以及环境诱发 松脱失效松动、脱落等材质问题、结构等

2 内外饰可靠性试验

2.1 内外饰气候老化试验

使用汽车不可避免地会受到外部环境的影响，汽车的性能会随着时间的推移逐步降低，无论材料、零部件、整车都会逐步老化。汽车内外饰件因不同的失效模式，一般会伴随产品外观变化，常见外观变化如图3所示。

对于汽车内外饰老化[3]而言，材料自然老化可得到最贴合于实际使用情况，但材料自然老化试验周期过长，不能满足产品设计的开发时间。因此，汽车主机厂通常采用材料光氧化的特定波段的试验室光源对产品进行人工加速老化，以期待在较短的时间内获得不同老化状态的产品，如表4所示。目前，在汽车内外饰材料的人工加速老化试验领域其原理[4-7]来源主要如表5所示。

图3 常见气候老化外观变化状态

表4 汽车自然气候老化与加速老化试验对比

试验方法优点缺点用途 自然老化（1）检验汽车整车、零部件及材料耐候性最真实可靠的试验方法（2）作为设计加速老化试验的基础（1）环境因素不可控（2）试验条件不具有可重复性（3）试验周期长自然气候老化试验主要用于汽车耐候性的最终确认，并作为研发模拟气候老化试验的基础 加速老化（1）试验条件可控制（2）试验重复性好（3）试验周期短无法完全模拟实际使用环境主要用于汽车材料和零部件耐候性的质量控制和快速筛选

表5 加速老化原理

方法原理公式参数说明 Arrhenius公式将较高温度下加速老化测定的结果，使用Arrhenius公式温度进行外推来预测寿命tf为材料寿命；k为老化速率；A、n为常数；ΔE为活化能；R为气体常数；T为老化温度；S为除温度外的影响因素，如时间、湿度等

表5 （续）

Hallberg-Peck公式不直接受光照，环境工况只受温度和湿度影响AF为加速因子；Ea为活化能；R为常数；Tu、Tt分别为实际使用和加速条件下温度；RHu、RHt分别为实际使用和加速条件下相对湿度 Dakin公式设定的某个性能变化至临界值Pe所需的时间tf为材料寿命；Pe为某性能的临界值；a、b为常数 曲线叠合法将高温下的试验数据通过一定原则叠合得到常温变化曲线或WLF方程：tf和t0分别为老化温度T和参考温度T0下的材料寿命；aT为位移因子；b、C1、C2为常数 老化温度系数法当某种性能达到一定值时，在温度Tf下需要的时间t1和在T1+10 K温度下需要的时间t2的比值Tf为老化温度系数；B1、B2为经验常数

2.2 内外饰振动台架试验

采用振动台架试验[8]是除了整车道路试验外检验内外饰产品寿命的有效手段，其是将部分车身按照相关要求切割并进行特殊处理的模块作为振动试验的测试工装，使用随机振动或模拟道路仿真的频率进行试验，可以检验模块内全部测试件的零件可靠性，模块化的车身有效降低了对试验台尺寸的要求，确保大多数振动台都能满足条件，可有效控制试验成本。

一般在内外饰件的成型过程中，因为注塑件成型的过程中容易产生应力集中，并且在汽车行驶的过程中，零部件系统始终受到发动机激励或者路面不平引起的车体激励，在这复杂激励环境下，零部件势必会产生振动。长时间的振动会对内外饰结构产生不可逆的疲劳损伤，当这种损伤累积到一定程度时，零部件系统会产生裂纹；当裂纹扩展到一定程度时，将会导致零部件破损甚至断裂。

目前适用于内外饰的振动台架试验主要包括三种形式[9]，如表6所示，其一是恒定环境温度的振动台架试验，其二是包含环境温度变化的振动台架试验，其三是结合冷热温循环振动台架试验，包含温度和湿度，以及模拟阳光的综合试验条件和模拟整车路谱的振动进行，使得测试条件更加贴合或高于实际使用工况，如图4所示。目前振动台架的选取多为三轴振动台模拟车身在三个方向上的单自由度振动，其发展趋势正在由单自由度向多自由度振动转变，而模拟阳光一般是采用红外加热或模拟日照光谱的使用环境。

图4 振动台架流程

表6 常见振动台架试验

振动台架试验类型特点适用范围 恒定温度/恒定频率试验周期短，能快速验证产品机械性能变化，但不能反映外观老化变化某温度的结构强度，如发动机护板、前端模块、蓄电池托盘等 交变温度/变化频率试验周期中等，能快速验证产品机械性变化，温度变化引起的材料特性的变化（变形、开裂）（1）结构强度；（2）温度变化导致的产品变形如前组合灯等 冷热循环/变化频率（交变温度+湿度、阳光模拟）试验周期长，更贴合实际使用工况，极大暴露由单项或组合试验未能复现综合问题；且一定程度上能反馈外观老化程度（1）结构强度；（2）外观质量，如仪表板、座椅等

2.3 系统耐久试验

对于运动往复或多次折叠等操作的功能件来说，系统耐久试验[10]是十分必要的。常见的汽车系统耐久试验主要包括开闭耐久试验[11]，其主要为四门两盖开闭耐久试验、天窗耐久试验、门把手的开合实验、仪表板手套箱和中控的储物盒盖的耐久试验以及雨刮刮刷试验等。系统耐久试验的试验设计主要根据产品在整个生命周期中使用的频率（开闭次数）、冲击载荷的大小（关闭速度）以及自然环境等因素。

这类试验条件设置在产品的极限环境 −40 ℃～80 ℃温度环境下进行，一般采用机器人或气缸设计测试台架模拟人的动作，从而检验产品的质量和使用寿命。汽车内外饰件的耐久试验对设备要求较为苛刻，其一是内外饰覆盖的运动件都较为庞大，例如尾门总成、发动机盖总成、车门总成和天窗总成等都必须使用部分钣金车身；其二是使用的测试设备体积大，例如车门的四门耐久需要对四个车门同时进行开启和关闭，车内需要设计开启装置，外部需要关闭装置。

2.4 安全性试验

安全性试验，一般是指保证汽车碰撞安全可靠性的试验，例如针对前后保险杠的碰撞试验，在开发设计阶段也用到系统级台架进行试验，方便在项目初期对保险杠模块进行验证以满足相关碰撞法规。而驾驶员安全气囊在车辆碰撞中必须对驾驶者起到保护作用，因此，针对安全气囊是否能正常打开进行各个批次的气囊点爆验证试验[12]。该试验需要通过配合车身的结构进行，试验要求台架在温度箱高温、室温、低温下放置4小时以上进行点爆，点爆后无碎片飞出或零件分离以及气袋没有破损为合格。

3 结语

内外饰可靠性问题越来越受到各大主机厂的重视，但是相对于国外主机厂，目前国内主机厂对可靠性的研究仍未成体系，与国外存在很大差距。因此，要加强国内汽车可靠性方面的研究，使可靠性融入产品正向开发的各个研发阶段。

（1）汽车内外饰因其具有使用环境复杂以及外观质量敏感度高等综合特点，因此，制定贴合实际使用环境且快速验证的试验方法，提高验证产品可靠性试验能力显得十分重要。

（2）汽车内外饰加速老化试验大部分仍只是考虑气候等外部条件的影响，但实际车辆使用环境不仅来自气候的影响，应结合机械应力如振动等对老化的影响机理，摸索并建立更加符合实际使用环境的加速老化的测试方法和评价指标。

[1] 郭一鸣.汽车可靠性[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] 邱国华.汽车内外饰设计[M].北京:机械工业出版社, 2019.

[3] 田永.汽车外饰塑料零部件的耐温性试验评述[J].上海汽车,2009(7):41-44.

[4] 谭红香,段星春.高分子材料人工加速光老化[J].材料导报,2013,27(S2):245-247.

[5] 邓爱民,陈循,张春华,等.加速退化试验技术综述[J].兵工学报,2007(8):1002-1007.

[6] 朱志鹏,皮红,郭少云,等.应力作用下高分子材料的老化行为研究[J].聚氯乙烯,2008(2):6-9,12.

[7] 孙杏蕾,王振尧,王纳新,等.汽车材料大气腐蚀和实验室加速循环腐蚀试验方法的相关性研究[J].上海涂料,2018,56(2):9-12.

[8] 张伟.温、湿、振三综合环境试验技术的应用[J].电子产品可靠性与环境试验,2004(6):38-41.

[9] 吴潇,李占江.浅谈汽车行业中的振动试验[J].汽车电器,2018(1):48-51.

[10] 邓茗馨.汽车内外饰系统级试验的相关概述[J].汽车实用技术,2021,46(5):160-162.

[11] 漆晖.汽车车门开闭耐久的试验标准与方法研究[J].上海汽车,2019(4):56-62.

[12] 毛溶洁,张彬,黄成.汽车驾驶人安全气囊试验需求分析与应用[C]//2015中国汽车工程学会年会.北京:中国汽车工程学会,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

闵全钊（1988－），男，硕士，工程师，研究方向为汽车外饰件设计、模具设计，E-mail:minquanzhao@gacrnd.com。