主题:【求助】如何应对汽车可靠性挑战?多功能刚度平台交出高分答卷

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随着汽车行业轻量化的发展趋势的日渐迅猛,许多车用零部件实行了以塑代钢,显然相比于传统的金属制备的零件,塑料零件的安全性、可靠性需要得到保证,因而对于汽车零部件如前端框架、进气歧管、碳罐等一些汽车零部件都在力学测试方面有了更加苛刻的要求。



根据各汽车零件功能多样性的特点,国高材分析测试中心引进了一套多功能刚度平台,可在不同环境下,对多种零件执行特定要求的测试,如:刚度测试、静/动态强度测试、动态冲击测试、疲劳耐久测试和静态加载/扭转测试等。为了让各位朋友深度理解满足不同零件要求的平台集成方法,以及多功能刚度平台对于汽车零件开发的意义,本文通过几个实际案例来进行阐述。

◆◆1、 测试平台介绍◆◆




多功能刚度平台具体有包括环境控制模块、力加载控制模块、软件控制模块,数据采集模块等四个部分组成,能够实现在不同的环境下(包括高温、常温以及低温),通过不同的力学控制方法,对不同类型的零件进行不同的检测。

此多功能刚度平台主要承接的主要的项目包括汽车前端模块中重要汽车零部件前端框架锁扣区域的刚度强度,各安装点的刚度、强度。另外还包括汽车其他零件的力学测试,如动态的冲击实验、疲劳耐久试验和扭转试验等。

由于汽车零部件在实际工况环境中,温度湿度会有变化,因而多功能刚度平台配置有体积约12立方的环境箱,更能准确检测零件某点/处在各种环境条件下的强度和刚度,有助于为产品材料或结构的优化设计提供数据支持。

此外,多功能刚度平台备有10个高精度位移传感器,能够在某个区域受力情况下,同时监测其他10个监测点的位移变化,有助于将其结果与计算机仿真试验的结果进行对标,推进零件结构的再优化。

◆◆2、 应用案例◆◆




01 刚度试验

汽车零部件的刚度是指在施加不致毁坏车身的普通外力时,零部件不容易变形的能力。在实际工况环境下,汽车在行驶过程中会受到各种外力因素影响而变形,变形程度小的刚度好,一般情况下刚度较好时,强度也较好。

图1为前端框架锁扣区域的X向刚度测试及其力和位移的曲线图,多功能刚度平台可针对汽车塑料零部件前端框架进行,包括锁扣安装点,前大灯安装点,喇叭安装点,散热器安装点等区域的刚度试验。





图1 前端框架锁扣区域的X向刚度测试及曲线图



由于前端框架锁扣区域在受到外力作用时,不同区域的弹性变形量存在差异性,可根据指定要求分别测试包括钣金、模拟锁块和锁扣区域塑料件的弹性变形量。如上图1,静态加载600 N的力,速度100N/s,力保持时间2s,监测力稳定2s钟后的变形量。将位移传感器放置于靠近钣金的零件表面,同样采用上述的力加载方式,测定靠近钣金的零件表面的弹性变形量。

图2-4是主要是对前端框架材料的力学性能的检测以及其在动态和静态的受力状况下发生的弹性变形以及剩余变形量的实时检测,有助于前端模块顺利开发以及保证使用过程中安全性得到保障。具体的实验项目包括:常温(23℃)和高温(85℃)静态试验,采用PID控制方法,力模式设置为静态,初始拉力设置为0 N,步进增加值为200 N,直至达到2200 N。根据力值传感器、位移传感器监测相应的测量点的弹性变形和残余变形量;高温(85℃),常温(23℃)以及低温(-30℃)动态试验,实验结果如下。





图2 前端框架锁扣区域刚度测试及塑料件上各监测点位移传感器布置图




图3 前端框架高温(85℃)状态下静态试验位移随着力施加时间的变化曲线





图4 前端框架常温(23℃)状态下对前端框架施加瞬时动态推力2000 N后得到的变形量随着力施加时间的变化关系



利用刚度平台,实时模拟在高温或者低温状态下,对前端框架施加静态的力加载,并且利用位移传感器对前端框架不同部位处进行弹性变形量以及残余变形量的实时监控结果(见图3)。

结果表明在前端框架的不同部位由于注塑制件设计存在差异,部分区域设置加强筋等结构。不同监测点处,呈现具有明显差异的弹性变形。而在施加的力值达到一定的程度时,材料将会发生一定程度的塑性变形。同时前端框架动态实验的结果也表明在不同制件部位在受到瞬时推力或者瞬时压力时,形变量和参与变形量是具有明显的差异(见图4)。

因而利用刚度平台实时监控在高温或常温状态下前端框架的变形情况有助于清晰的知道比较薄弱的部位,从而优化易变形部位的设计,并且一方面,前端框架的静态实验能够实际模拟了前端框架在受到风阻时,另一方面,前端框架的动态实验能够实际模拟前端框架在拉引擎盖和合上引擎盖的瞬时拉力和瞬时压力的实际工况。这将为前端框架的投入使用提供了更加可靠的安全保证。

02 静/动态强度测试

材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。而静态试验是相对于动态试验而言,施加于试样的负载较小,形变速度足够缓慢或测定时间较短的强度试验。

以安全带锁扣制件为例,测试锁扣区域的极限破坏拉力,如下图5-6所示。将金属样品固定于自制简易工装上,将锁扣件的档位调至最高档,运用安全带、铁块和螺母将作动缸和样品连接起来。调整样品和炮筒的角度,可以从两个方向对样品进行拉伸。样品在16500N的拉力作用下,保持了若干秒,均未出现断裂情况,材料性能符合相关标准要求。





图5 0°角方向拉伸测试及曲线图






图6 45°角方向拉伸测试及曲线图



03 疲劳耐久测试

图7为一弹簧卷的耐久性能测试。样品在多周期条件下持续工作,观察其失效时间。通过疲劳参数来设定程序:幅度40 mm,设置频率1.0 Hz,控制弹簧卷的弹开次数5000,6000,6500,7000(直至出现裂纹或脱落,记录极限次数)。这样可以对弹簧卷的使用寿命进行有效评估。该项测试对于汽车上的功能件运用较多。



图7 弹簧卷片疲劳耐久试验图



此外,此多功能刚度平台在其他测试项目,如蠕变测试,扭转测试,以及在其他零部件测试领域的应用也在整理中,后续会通过“国高材分析测试中心”发布。

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