چگونه دوام قطعات خودرو را تضمین کنیم؟

درک تنش مکانیکی و محیطی بر اجزای خودرو

دوام مکانیکی و مقاومت در برابر بار، ارتعاش و تنش جاده

قطعات خودرو تمام روز با تنش مکانیکی مداوم سر و کار دارند. فقط سیستم‌های تعلیق در طول رویه‌های آزمون عادی از بیش از ۵۰ هزار چرخه تنش عبور می‌کنند. چیزهایی مانند نگهدارنده‌های موتور و بلبرینگ‌های چرخ باید تمام لرزش‌های ریز جاده را تحمل کنند که این لرزش‌ها با گذشت زمان تجمع پیدا می‌کنند و به گفته گزارش دوام سال ۲۰۲۴، سالانه حدود ۵٫۲ میلیارد دلار به صنعت خسارت وارد می‌کنند. تولیدکنندگان قطعات خود را در آزمون‌های ویژه‌ای قرار می‌دهند که شرایطی را شبیه‌سازی می‌کنند که پس از سال‌ها رانندگی واقعی بر روی جاده‌ها اتفاق می‌افتد. این آزمون‌ها با اعمال نیروهایی که ۳٫۵ برابر بیشتر از شرایط عادی است، فراتر از حالت معمول قطعات را تحت فشار قرار می‌دهند و به مهندسان کمک می‌کنند تا نقاطی را که احتمالاً در نهایت دچار خرابی می‌شوند شناسایی کنند. به عنوان مثال، بدنه‌های دنده امروزه طوری ساخته می‌شوند که بتوانند بدون ترک خوردن یا خرابی ساختاری، حداقل ۲۰۰ کیلونیوتن نیرو را در راستای محوری خود تحمل کنند.

چالش‌های محیطی: قرار گرفتن در معرض UV، چرخه‌های حرارتی و تخریب شیمیایی

خورشید و این نوسانات دمایی وحشیانه واقعاً با گذشت زمان بر روی مواد تاثیر می گذارد. برای مثال پلاستیک های داشبورد را در نظر بگیرید آنها تمایل دارند حدود 38 درصد از قدرت کشش خود را پس از تنها حدود 1000 ساعت در معرض نور UV از دست دهند. وقتی قطعات از طریق چرخه های گرم و خنک کننده مکرر از سردی ۴۰ درجه سانتیگراد تا ۱۲۰ درجه سانتیگراد عبور می کنند، مواد مهر و موم حداقل چهار برابر سریعتر از آنچه آزمایشات آزمایشگاهی در ابتدا پیش بینی می کردند، تجزیه می شوند. تحقیقات در مورد ترکیدن استرس های زیست محیطی چیزی بسیار شگفت انگیز را نشان داده است. حدود ۲۵ درصد مشکلات پلاستیک خودرو در واقع ناشی از واکنش مواد شیمیایی با نمک جاده ای و سوخت های مختلف است. تولیدکنندگان با توسعه پوشش های زیر هود بهتر که در طول آزمایش های اسپری نمک بیش از 500 ساعت دوام می آورند، پاسخ داده اند که تقریباً 70 درصد افزایش در مقایسه با آنچه در سال 2018 امکان پذیر بود را نشان می دهد.

مطالعه موردی: اجزای تعلیق و مواد داشبورد در شرایط واقعی

تحلیل میدانی سال 2023 تفاوت‌های قابل توجه عملکرد منطقه‌ای را نشان داد:

• دستگاه‌های کنترل آلومینیومی درصد خوردگی در 0.12 میلی‌متر/سال در آب و هوای اسکاندیناوی نسبت به 0.8 میلی‌متر/سال در مناطق ساحلی
• تابلوهای سری صفحه پلاستیک پلی‌پروپیلن با پایداری در برابر UV، 92٪ ثبات رنگ را پس از پنج سال حفظ کردند و عملکرد بهتری نسبت به مواد استاندارد داشتند 67%

این بینش‌ها باعث شده تا سازندگان تجهیزات اصلی (OEM) از مواد ترکیبی ترکیبی از فلزات و پلیمرهای تقویت‌شده با شیشه استفاده کنند که عمر مفید مونتاژ اتصالات را به میزان 82%.

ادغام نظارت لحظه‌ای و آزمون تنش تسریع‌شده

تولیدکنندگان پیشرو اکنون از کرنش‌سنج‌های اینترنت اشیا (IoT) برای نظارت بر عملکرد قطعات در برابر ۱۲ متغیر محیطی به بالا از جمله رطوبت و ارتعاشات هارمونیک استفاده می‌کنند. پروتکل‌های پیری شتاب‌دهی شده، سایش دهه‌ها طول‌کشیده را به آزمایش‌های شش‌ماهه با استفاده از شبیه‌سازی‌های با وفاداری بالا تبدیل می‌کنند:

این رویکرد مبتنی بر داده، شکایات ضمانت از قطعات فرمان را کاهش داده است به میزان 41%از سال 2021 و هزینه‌های اعتبارسنجی را کاهش داده است به میزان $18k per vehicle platform .

مقایسه فلزات و پلیمرهای پیشرفته از نظر دوام

سازندگان خودرو واقعاً به دنبال یافتن موادی هستند که بتوانند سال‌ها در برابر تنش مکانیکی مداوم مقاومت کنند بدون اینکه خطری برای کسی ایجاد شود. فولاد همچنان در ساخت شاسی خودروها پادشاه است، زیرا دارای استحکام کششی شگفت‌انگیزی در حدود ۳۸۰ تا ۵۵۰ مگاپاسکال است و علاوه بر این، هزینه آن بیش از حد زیاد نیست. اما اخیراً رقابت جدی از سوی پلاستیک‌های پیشرفته مانند ماده PA6-GF30 وجود داشته است. به عنوان مثال توربوشارژرها: این مواد کامپوزیتی جدید وزن را در مقایسه با گزینه‌های سنتی حدود ۴۰ درصد کاهش می‌دهند، در عین حال می‌توانند دماهایی تا ۲۲۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند، مطابق یافته‌های اخیر منتشر شده در سال گذشته در مطالعات مواد خودرویی. چیزی که اینجا شاهد آن هستیم، در واقع تلاش شدید کل صنعت خودروسازی برای یافتن نقطه طلایی بین ساخت خودروهایی محکم و در عین حال سبک کافی برای رعایت استانداردهای همواره سخت‌گیرانه‌تر مصرف سوخت است.

مواد مقاوم در برابر خوردگی: فولاد گالوانیزه، آلومینیوم و پوشش‌های پیشرفته

وسایل نقلیه مدرن از استراتژی‌های لایه‌ای برای مقاومت در برابر خوردگی استفاده می‌کنند:

• فولاد زنگ‌دار با یک لایه روی به ضخامت ۱۰ تا ۲۵ میکرومتر که بیش از ۱۵ سال حفاظت در برابر زنگ‌زدگی را برای پنل‌های درب فراهم می‌کند
• آلیاژهای آلومینیوم سری ۶۰۰۰ وزن قرقره ترمز را نسبت به چدن ریخته‌گری شده ۳۵٪ کاهش می‌دهند و در عین حال در برابر تخریب نمک جاده مقاومت می‌کنند
• پوشش‌های اکسیداسیون پلاسما-الکترولیتی عمر مفید بلوک موتور آلومینیومی را ۳۰۰٪ افزایش می‌دهند (آزمون ESD-SAT 2023)

این نوآوری‌ها به هزینه تعمیر خوردگی در طول عمر به میزان ۷۴۰,۰۰۰ دلار برای هر وسیله نقلیه گزارش‌شده در تحلیل مواد حمل‌ونقل پرداخته‌اند.

تعادل بین وزن، هزینه و دوام در انتخاب مواد خودرو

مهندسین مواد با یک مثلث دشوار (trilemma) دست و پنجه نرم می‌کنند:

1. کاهش وزن – هر کاهش ۱۰٪‌ای، بازدهی سوخت را ۶ تا ۸٪ بهبود می‌بخشد
2. کنترل هزینه – آلومینیوم به ازای هر کیلوگرم ۲٫۵ برابر فولاد نرم گران‌تر است
3. نیازهای دوام – گارانتی خوردگی ۲۵ ساله به‌تدریج به استانداردی رایج تبدیل می‌شود

فولادهای پیشرفته با استحکام بالا (AHSS) در حال حاضر بهترین تعادل را ارائه می‌دهند و قطعاتی را تولید می‌کنند که ۳۰٪ سبک‌تر از فولاد معمولی بوده و تنها ۱۵ تا ۲۰٪ هزینه بیشتری دارند. تحقیقات جاری در زمینه پوشش‌های نانو و پلیمرهای خود-تعمیرکننده، امیدوارکننده پیشرفت‌های آینده در دوام پایدار هستند.

استانداردهای آزمون دوام و روش‌های اعتبارسنجی قطعات خودرو

مروری بر پروتکل‌های استاندارد صنعتی برای آزمون دوام و محیطی

قطعات خودرو باید آزمون‌های نسبتاً سختگیرانه‌ای را پشت سر بگذارند تا بتوان آنها را به اندازه کافی قابل اعتماد برای استفاده در وسایل نقلیه واقعی تشخیص داد. استانداردهای مشخصی مانند ISO 16750-3 وجود دارند که به بررسی عملکرد سیستم‌های الکتریکی در برابر ارتعاشات می‌پردازند، همچنین استاندارد SAE J2380 به موضوعاتی مانند آسیب ناشی از تابش خورشید در طول زمان می‌پردازد. رعایت الزامات تعیین شده توسط سازمان‌هایی مانند NHTSA و EPA تنها مسئله پیروی از قوانین نیست، بلکه در عمل به حفظ ایمنی افراد کمک می‌کند و همزمان اطمینان حاصل می‌شود که خودروها آلودگی بیش از حدی ایجاد نکنند. امروزه صنعت خودروسازی توجه بیشتری به ایجاد محیط‌های آزمایشی می‌کند که شرایط رانندگی واقعی در جاده را شبیه‌سازی کنند. آزمون‌های پاشش نمکی بر اساس استاندارد ASTM B117 و بررسی مواد در دماهای بسیار شدید از منفی ۴۰ درجه سانتی‌گراد تا مثبت ۸۵ درجه سانتی‌گراد، امروزه به بخش‌های مهم‌تری از کنترل کیفیت تبدیل شده‌اند.

آزمون چرخه عمر: درهای خودرو، دکور داخلی و قطعات مستعد فرسودگی

سازندگان ارزیابی‌های دقیق چرخه حیات را روی اجزای کلیدی خودرو انجام می‌دهند تا اطمینان حاصل شود که این قطعات در شرایط واقعی دوام خواهند آورد. به عنوان مثال، مفصل‌های درب نیاز دارند که حداقل ۱۰۰ هزار بار عملکرد باز و بسته شدن را تحمل کنند تا تأیید شوند؛ این آزمون در واقع بررسی می‌کند که آیا قفل پس از تمام این فرسایش همچنان به درستی کار می‌کند یا خیر. روکش داخلی مدام در تماس با مسافران قرار می‌گیرد، بنابراین ما آزمون‌های سایش را مطابق دستورالعمل‌های ASTM D4060 انجام می‌دهیم تا بتوانیم پیش‌بینی کنیم که مواد پس از سال‌ها استفاده در خودروهای واقعی چگونه عمل خواهند کرد. استاندارد ما برای موتورهای پاورترین بیش از یک میلیون چرخه بارگذاری است تا شرایط رانندگی طولانی‌مدت در جاده‌های ناهموار شبیه‌سازی شود. قفسه‌های ترمز نیز از آزمون‌های سختگیرانه عبور می‌کنند؛ حدود ۵۰۰ ساعت قرار گرفتن در معرض رطوبت تضمین می‌کند که آب نتواند به داخل نفوذ کند و بعداً مشکلاتی ایجاد کند.

آزمون‌های پیری شتاب‌دهی شده و ارتباط آن‌ها با عملکرد در دنیای واقعی

تکنیک‌های آزمایش که فرآیندهای پیر شدن را تسریع می‌کنند، می‌توانند چیزی را که معمولاً سال‌ها طول می‌کشد در عرض تنها چند هفته جای دهند. به عنوان نمونه، مواد صفحه نمایش ماشین در معرض حدود ۱۵۰۰ ساعت نور ماوراء بنفش قوس کسیلن قرار می‌گیرند که معادل تقریبی پنج سال کامل در شرایط واقعی نور خورشید است. در همین حال، بوشینگ‌های سیستم تعلیق با حدود ۵۰ هزار چرخه فشار در دستگاه‌های آزمایش چند محوره تخصصی تحت آزمون قرار می‌گیرند. برخی تحقیقات اخیر نیز نتایج بسیار چشمگیری به دست آورده‌اند؛ به طوری که تطابق حدود ۹۲ درصدی بین مواد آزمایش شده در آزمایشگاه پس از پیرسازی تسریع‌شده و نمونه‌های واقعی گرفته شده از خودروهایی که پس از خدمت طولانی از رده خارج شده‌اند، مشاهده شده است. این امر به ویژه زمانی رخ می‌دهد که تغییرات شدید دما از منفی ۳۰ درجه سانتی‌گراد تا مثبت ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد را با ارتعاشات با فرکانس‌های مختلف در حین آزمون ترکیب کنیم.

پر کردن شکاف: آزمون بیش از حد در مقابل نتایج عملی دوام

اگرچه 78٪ از سازندگان از استاندارد ASTM G154 برای آزمون شتاب‌داده‌شده پیرشدگی ناشی از عوامل جوی استفاده می‌کنند، اما 40٪ از آنها گزارش داده‌اند که آزمون‌ها فراتر از عمر معمول خودرو که 15 سال است انجام می‌شود. رویکردهای متعادل‌تر شامل موارد زیر است:

• هماهنگ‌سازی مدت آزمون با الگوهای استفاده منطقه‌ای (به عنوان مثال معیار 200,000 مایلی برای آمریکای شمالی در مقابل آستانه 150,000 کیلومتری اروپا)
• ادغام داده‌های خرابی واقعی در محل با شرایط آزمایشگاهی برای بهبود دقیق‌تر شرایط آزمون
• استفاده از مدل‌های پیش‌بینی مبتنی بر هوش مصنوعی به منظور کاهش 18٪‌ای آزمون‌های تکراری (همایش مواد خودرویی 2023)

این استراتژی نرخ خرابی سیستم‌های حیاتی را از جمله قطعات آب‌بندی و اتصالات الکتریکی به زیر 0.5٪ نگه می‌دارد و در عین حال هزینه‌های توسعه را به حداقل می‌رساند.

کنترل کیفیت و رویه‌های تولید برای افزایش طول عمر قطعات

ادغام آزمون دوام در تضمین کیفیت تولید

تولیدکنندگان خودرو امروزه شروع به استفاده از بررسی‌های لحظه‌ای از دوام قطعات در خطوط تولید خود کرده‌اند. آنها این کار را با ترکیب آزمون‌هایی که واکنش قطعات به ارتعاش و تغییرات دما در طول زمان را بررسی می‌کنند، انجام می‌دهند. رویکرد سیکس سیگما اخیراً مشکلات گارانتی مربوط به دنده‌ها را حدود ۱۸ درصد کاهش داده است، زیرا مشکلات صفحه کلاچ را بسیار زودتر در فرآیند شناسایی می‌کند. در همین حال، سیستم‌های پیشرفته بازرسی با دوربین، حدود ۹ از هر ۱۰ ترک ریز در کالیپرهای ترمز را قبل از مونتاژ قطعات تشخیص می‌دهند؛ این بدین معناست که شرکت‌ها دیگر فقط مشکلات را پس از وقوع رفع نمی‌کنند، بلکه اکنون قادر به پیش‌بینی آنها قبل از اتفاق افتادن هستند. ترکیب این فناوری‌ها باعث می‌شود خودروها در شرایط معمول سایش و فرسودگی و همچنین در شرایط سختی که در جاده‌های پوشیده از نمک در ماه‌های زمستان دیده می‌شود، طول عمر بیشتری داشته باشند.

کنترل آماری فرآیند و بهبود مستمر در تولید

نرم‌افزار SPC با بررسی داده‌های ماشین‌کاری CNC، چیزی حدود ۱٫۲ میلیون بوشینگ سوسپانسیون را هر ماه در محدوده بسیار دقیق ±0.005 میلی‌متر نگه می‌دارد. ترکیب این روش با کارگاه‌های منظم کایزن باعث شده تا تولیدکنندگان حدود ۴۰٪ کاهش در مشکلات مربوط به شکل ریخته‌گری هد سیلندر تجربه کنند، در حالی که هزینه‌ها بیش از ۲٪ در سال افزایش نمی‌یابند. از سال ۲۰۲۲ به بعد، شرکت‌ها قادر به نظارت بر سطوح یاتاقان در لحظه واقعی در خط تولید هستند. این امر به جای انتظار برای گزارش‌های هفتگی، به اپراتورها اجازه می‌دهد تا مشکلات را بلافاصله تشخیص داده و قبل از خراب شدن کل سری‌ها، آنها را رفع کنند.

‫سوالات متداول‬

اهمیت آزمون تنش مکانیکی برای قطعات خودرو چیست؟

آزمون تنش مکانیکی به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا ضعف‌های احتمالی در قطعات خودرو را با شبیه‌سازی شرایط شدید شناسایی کنند و از این طریق قابلیت اطمینان و دوام بلندمدت را تضمین نمایند.

عوامل محیطی مانند تابش UV چگونه بر مواد خودرویی تأثیر می‌گذارند؟

قرار گرفتن در معرض اشعه ماورای بنفش (UV) می‌تواند به طور قابل توجهی استحکام کششی و دوام رنگ مواد خودرو را کاهش دهد و لزوم بهبود فرمولاسیون مواد و پوشش‌ها را ضروری می‌سازد.

نقش کرنش‌سنج‌های اینترنت اشیا (IoT) در تولید خودرو چیست؟

کرنش‌سنج‌های اینترنت اشیا (IoT) امکان نظارت آنی بر عملکرد قطعات در شرایط محیطی مختلف را فراهم می‌کنند و دوام و قابلیت اطمینان قطعات را بهینه می‌سازند.

چرا مواد مقاوم در برابر خوردگی در ساخت خودرو مهم هستند؟

مواد مقاوم در برابر خوردگی برای افزایش عمر خدماتی قطعات خودرو، کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری در بلندمدت و تضمین یکپارچگی وسیله نقلیه حیاتی هستند.

مزایای آزمون‌های پیری شتاب‌دهی شده چیست؟

آزمون‌های پیری شتاب‌دهی شده به پیش‌بینی دوام بلندمدت مواد در بازه زمانی کوتاه‌تری کمک می‌کنند و به تولیدکنندگان اجازه می‌دهند تا عملکرد را بدون انجام آزمایش‌های طولانی‌مدت در محل، معتبر سازند.