关于新能源汽车的疲劳耐久问题与相关试验思考

陈亮亮

摘 要：随着新能源汽车产业及汽车技术的发展，人们对车辆操作的安全性、稳定性、可靠性、灵敏性有了更高的要求。面对激烈的汽车行业竞争，汽车产销商要满足用户要求的同时节省成本，以提升市场竞争力。汽车疲劳耐久试验是汽车制造研发设计的重要组成部分，对汽车的安全性能有显著作用。故需加强对汽车研发体系的相应试验，以准确客观地评价新能源汽车的疲劳耐久及安全可靠性，提升新能源汽车的整体性能，确保行业健康可持续发展。

关键词：新能源汽车 疲劳耐久 问题 试验

近年来，我国新能源汽车产业发展迅速，根据工信部2022年的相关数据显示，我国新能源产销量已达705.8、688.7万辆，连续8年占全球新能源汽车产销首位[1]。随着产销量的急剧上升及市场需求增大，新能源汽车的耐久性、可靠性备受瞩目。相较于传统燃油汽车，新能源汽车的优势是变革动力系统，有更加环保、加速能力更好等优点，当前国内外对新能源汽车的研究也主要集中在三电性能上，获得了一定的研究成果[2]。但对新能源汽车的研究仅限于此？答案是否定的。对汽车使用者而言，汽车耐久性、可靠性关系到出车、使用频率和用户使用满意度。为了提高汽车的可靠性，需对整车及零部件进行疲劳耐久试验，以确保汽车行驶安全。

1 疲劳耐久问题分析

1.1 耐久性

耐久性是指在合理维修保养条件下对汽车使用寿命的度量，即汽车保持质量及功能使用的持久时间[3]。可靠性对汽车故障间隔时间的评估，即汽车寿命与故障次数的比值。早期的新能源汽车有明显的缺陷，因其是在传统燃油车底盘基础上应用了与燃油车差别巨大的电池组，此更换难免会引起重量分配、共振点、受力点的不同，导致新能源汽车整体性能不高。随着科技进步及市场需求的增大，许多新能源汽车主机厂商为满足用户需求及提高企业竞争力，通过多种方法提高整车的耐久性指标，这就需要对汽车架构、系统及重要零部件进行不断的试验验证及设计改善，使汽车耐久性符合指标。对汽车主机厂商来说，满足整车耐久性最低标准可定义为多少年的功能寿命和多少万千米。为了达到该指标，就需整车、系统、子系统和各项重要零件满足各自的要求，将其指标从上至下分解到子系统及零件级，要求整车耐久性试验完成前，不能有失效现象。

1.2 疲劳性

疲劳与耐久性相比，两者概念上有一定区别，但是很多情况下会结合起来看待，具体是指构件材料或零件在受到循环载荷引起的交变应力，或是在这种交变应力下产生诸多变化的过程，如裂纹、损伤扩展、小范围脱落，甚至断裂[4]。材料受这种循环性的反复加载，不受控制地产生疲劳损坏及裂损，即时严格控制了材料的弹性应力幅度，也可能发生不同程度的变化。零件最先发生的裂纹萌生可能不会对材料构件性能产生影响，随着在裂纹上的反复加载，最终累积加剧为扩展裂损，导致不良综合结果。而构件在此基础上继续疲劳破损，直至其完全无法正常工作则被认为是疲劳失效。其外因是零件承受变化载荷，内因是金属构件或零部件存在错位、滑移带、夹杂物、不紧密等天然性的、能引起应力集中的缺陷。循环加载过程中，零件承受着不均匀的应力区，应力集中区会发生局部塑性改变，而其他应力非集中区会因集中应力区的塑性改变引起裂纹扩展，甚至永久损伤。因加载循环次数的不断增加会随之加大零件裂纹损伤几率，当达到一定程度后导致断裂失效。一般情况下，疲劳可经历裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展、最终断裂四个阶段[5]。

2 疲劳耐久性试验步骤

疲劳耐久性试验完整步骤包括：（1）数据采集。采集载荷谱数据是汽车疲劳耐久性试验的基础。首先要对用户使用用途、环境进行针对性地数据采集，对实测数据做多体运动力学、有限元、疲劳寿命等分析，将分析得到的结果反馈至实验室台架进行模拟试验试验。实践中，通常是对汽车的底盘、车身、车架、悬挂、转向等受力件贴应力应变片。其中，车身车架测量参数有车门开口处焊点、主结构搭接焊道、R角受力部位、易损伤开裂部位；悬吊系统行程测量参数有轮胎上下向行程、四方位相对位移，受力测量参数有轮胎上下、左右、前后力；转向系统测量参数有转向横拉杆左右、轴向力。也可接入温度、载荷、压力、加速度、位移、数字脉冲、GPS等传感器。当前国际上对车辆轴头受力情况的采集多采用六分力矩传感器，其具有方便、准确的特点，将轴头力分部到各部位受力做计算分析[6]。（2）数据处理。想要把数据变成有用信息，必须对数据采集器里的原始数据做分析处理。常见的处理方法有信号显示、编辑、计算、频谱分析、数据转换、元数据处理等。在进行疲劳耐久试验中需对原始数据中的异常信号进行鉴别和修正，经不同方法检验数据的有效性。把时域数据做付里叶变换或雨流计数，以获得频率内容或循环频次信息。对零部件台架试验时，需把采集的数据经疲劳等效理论转换为加速所需输入。再经CAE数据处理软件从数据中提取有限元、多体动力学、疲劳寿命等分析所需的时间域载荷谱。也可通过实测量对疲劳耐久性进行直接预测。常见的道路普分析处理软件有ICE-flow GlyphWork、DEWETRON等，其分析原理步骤为：根据实际物理特性频率的5-10倍设定频率，路面人力信号物理特性在50Hz内，设定测量取样频率为256/512Hz，低通虑波為取样频率1/2以下，以防止信号重叠或失真，再经雨流法原理做相关计算。（3）实验分析。在台架试验中输入分析处理后的实验数据，将其作为边界条件，模仿用户道路使用条件对整车及零部件做加速疲劳耐久试验。借助计算机对测量数据载荷及应力分析做疲劳寿命模拟预测，优化计算结果，经过15天左右即可完成试验，相较于试验场40000km疲劳耐久需耗费150天的时间，产品开发周期及试验费用得到了极大程度的优化。（4）CAE分析。传统疲劳分析是基于工程实测量及关键的零部件。随着CAD、CAE技术的普及，转变为了对整个零部件的疲劳分析。可在新能源汽车早期设计中应用该技术进行虚拟零部件的疲劳寿命的分析，对达不到标准范围的做进一步优化，以及早避免设计缺陷隐患，确保实物样机能顺利通过验证。不仅能有效减少产品开发周期耗时，还大大降低了制造及验证成本。分析CAE疲劳原理：对零部件应力通过有限元分析获得应变结果，将其结合材料疲劳寿命性能，经疲劳理论计算出疲劳寿命分布。零部件的载荷与实际工况应一致，可从实际试验中获得零部件的载荷数据。并通过敏感性分析分析影响零部件寿命的各种可能参量，包括不同的材料、不同加工处理、不同应力集中、不同组合，以寿命为设计目标获得最佳设计方案。

3 疲劳耐久性具体试验

3.1 电池耐久性试验

当前对新能源汽车的电池试验主要是依据《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统试验规程》，有试验显示其通过率不高[7]。虽然新国标对电池振动、挤压试验强度、试验时间的要求有所降低，但却是对电池试验的强制性标准。所以，应重视新能源汽车电池包振动试验。汽车行驶中，因振动引起的失效情况较多，如整体密封性、内部支架、模组断裂、内部线路断裂短路、绝缘层松动短路等均会影响电池可靠性，同时还需要载荷结合电化学腐蚀一起评估整车道路试验过程中的零件情况，评估是否有功能异常等问题。且电池安装时，其不同的安装位置及道路谱载荷也会产生影响，这些都需进行试验验证。而新标准中的正弦扫频试验并不是表示对实际路谱不做试验，而是包含在公告试验中，实际也需进行试验，同样，汽车主机厂商也需做路谱振动试验。对于整车道路试验，还需要对完成耐久性试验后的电池包进行性能复测，以充分评估模拟用户使用一定时间一定里程后的零件情况。

新能源汽车电池安全状态非常重要，电池若出现高温、温度不均、电压运行故障会使其性能无法正常发挥，且减小使用寿命。回顾历来对动力电池的研究可发现，多集中在电池的安全使用上，指出新能源汽车电池安全故障发生概率随着行驶里程数的增加而加大，可根据行驶里程把电池安全划分为1-10的等级，从“非常低”到“特别高”[8]。所以加大对电池的安全试验和设计非常必要，以有效减少高温、内部压力大、过充、短路等故障问题，降低电池安全事故风险。其次，对电池的研发试验重点还应注重动力电池单体、电池包外壳、电池管等组合，保证三者达到系统性最优化组合，以确保电池安全。

3.2 荷载提取试验

（1）道路耐久性试验。具体是通过道路行驶模拟对新能源汽车耐久性的进行试验。在此过程中，需对汽车驱动力、扭矩值大小进行收集，并对道路中常见的汽车零部件应力应变数据进行收集。在公共道路耐久试验试验中，需根据典型道路及结合驾驶员人员的习惯设计建立寿命里程。典型道路包括高速公路、国省道、城市道路、乡村公路等，根据真实使用环境进行针对性的耐久性试验。而为了尽可能满足用户需求，耐久性试验要选择多种驱动程序，包括季节及环境，如冬季、夏季，腐蚀环境。其中，冬季试验是对寒冷条件下汽车的耐低温性能指标进行观察试验，包括发动机、橡胶部件、电子部件、油管、水管等。夏季试验是对高温高湿热条件下汽车的性能及耐力强度进行试验，评估发动机、空调系统、冷却系统、散热系统等的性能属性。腐蚀环境试验是对汽车在各种电化学腐蚀中应对的稳定程度及耐久程度，部分零件主要是对盐雾箱，试验其在高温高湿热环境中浸泡一定时间后的腐蚀程度，以此判定实际使用一年的效果，整车是通过环境舱、盐雾室、盐溅路、石击路面等组成综合腐蚀输入，模拟用户使用多年后的效果。（2）虚拟耐久性试验。具体可通过CAE技术将现实情况置于虚拟环境中，基于混合多体动力学理论构建出汽车结构模型。融入路面特性及工作条件，通过理论疲劳损伤计算汽车各零部件材料，以此预测汽车的疲劳耐久性，换算出寿命。虚拟耐久性试验的周期短，可提前优化试验方案，及早发现设计中的隐患问题。也可针对汽车开发各个阶段建立多样化模拟对象，以进行不同的耐久试验，主要是针对车身承重结构、底盘系统及功率试验上。经计算机技术做虚拟耐久试验，使试验时间及开发周期明显缩短，并从中及早发现设计上的潜在问题，具有较大的优势。但同时也有不足，因虚拟试验是计算机迷你试验，是对现实环境的简化版本，会有一定误差，故该试验结论不能代表准确的实际情况，仅适用于前期指导。当然，基于模型精确、参数复杂的方向，部分系统及零部件计算更加精确，但是对于整车的模拟还是较为薄弱，是今后的发展方向。从新能源汽车整体发展思路而言，需要更短的开发周期，更复杂的整体功能验证，从道路到试验室到虚拟开发，是必然方向，只是需要更多研究和协同。

3.3 转向疲劳耐久性试验

转向节是新能源汽车的架构中的重要关键零件，其作用是保证车辆的稳定运行形势，确保行驶方向的灵敏改变[8]。汽车在道路行驶中的方向改变是依据支承带动前轮绕主销做转动，期间的多变冲击载荷较大。所以对转向节的强度有严格要求。设计时，为避免行驶中出现裂损等情况，首先要保证转向节的疲劳寿命满足现行标准及设计要求。且汽车转向时，转向节因需承受弯曲变化的高周疲劳载荷，须提高其强度和耐久疲劳。研究专家也对转向节疲劳寿命进行了多年的研究，其研究预测方式以雨流循环技术及线性损伤累计见多。近年来，有学者指出汽车实际转向操作中，转向节不仅承受多变冲击载荷，还受随机输入非比例载荷影响，故应做好转向节疲劳强度及耐久性分析试验，以验证可靠性。

汽车转向节和麦弗逊悬架系统与转向连杆连接，连接部件多，对疲劳耐久试验难度大。为避免这种情况，可分别对转向节和轮毂装配总成侧向力及垂向力、转向拉臂疲劳进行试验。关注连接部位在试验中是否出现松动、力矩变化。对外观完好、承受强度略微下降的，可经添加Zr、Cu等微量元素，以增加铸件强度。回顾常见的转向节疲劳失效，发生部位以右薄壁、过度圆角根部、转向杆连接处居多，故对这些部位的疲劳耐久要做好重点关注和检查。除了常规的转向节疲劳耐久试验外，还可应用工业CT对其进行三维无损探伤，若有裂纹出现，需追溯根源，及时制定解决措施消除问题。一般情况下，疲劳开裂的重灾区是感应淬火过渡区，因内应力较大，易降低转向节抗疲劳性能。可根据转向节几何机构调整淬火工艺，延展硬化层技术，消除裂纹或断裂隐患，以提高转向节疲劳耐久的可靠性。

3.4 减速器疲劳耐久性试验

减速器是新能源汽车传动系统的重要组成部分，使用寿命对整车的安全可靠有着极大的影响[9]。减速器随着工作时间的增加会提升故障风险，一旦失效，会影响安全驾驶造成事故。为了保障减速器的长期稳定可靠性能，需在做好其疲劳耐久试验，以评估其标准，保障行驶安全。传统对减速器的疲劳耐久试验需经数百小时及3-5台试样才能获得可靠试验结果，导致周期长、成本高。随着信息技术发展，经传感器采集监测数据来进行有效分析，以提前评估减速器退化及使用寿命成为了新的研究点。主要借助数据采集、监控系统获得减速器监测信号，经智能算法提取表征健康状态信息，建立性能退化监测模型，根据预测方法评估减速器寿命。可先应用故障树对减速器的失效形式、原因进行确定分析，应用赫兹应力理论结合材料S-N曲线、Miner损伤理论获得齿轮疲劳寿命，以辅助试验设计及结果的验证。再经多维尺度变换算法与特征向量的融合，以综合性能退化指标构建模型数据集，并基于遗传算法优化支持向量回归建立性能退化监测模型，以获得剩余寿命预测的实时退化数据。最后应用非线性Wiener过程剩余寿命预测法，经极大似然估计、贝叶斯法估计未知参数，设立试验终止判定条件，以精确评估减速器的寿命。

4 总结

通过综述可知，新能源汽车产业的不断发展，特别是新势力、华为等的加入，给国内外的汽车主机厂商带来了充分的竞争压力。为满足用户不断提升的要求，汽车主机厂商应提升新能源汽车的整车及零部件耐久性和可靠性，通过科学合理的疲劳耐久试验，及基于整车道路试验加速试验验证，提升新能源汽车整体性能，为未来汽车行业及机械工业竞争发展提供助力。

参考文献：

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[3]Jun H ，阎锋 .电动车组车体底架疲劳裂纹评估[J].国外铁道车辆，2020，57（06）：38-43.

[4]聂小勇，谭永发，谢世坤等.某新能源汽车后副车架疲劳失效分析与优化[J].井冈山大学学报（自然科学版），2020，41（05）：59-65.

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[8]敖亚.新能源汽车電池电机电控试验检测研究[J].南方农机，2019，50（24）：39.

[9]谭利，吉光，肖波等.非调质钢50MnSiV新能源汽车电机轴的开发[J].特殊钢，2019，40（05）：71-72.