Phương pháp thử nghiệm xác định tuổi thọ cho thiết bị ô tô
Trong lĩnh vực công nghiệp ô tô, việc đảm bảo an toàn và độ bền của các thiết bị là một yếu tố không thể phủ nhận. Một trong những phương pháp quan trọng nhất để xác định tuổi thọ của các thành phần và thiết bị ô tô là sử dụng các phương pháp thử nghiệm rung xóc. Đây không chỉ là một cách hiệu quả để xác định khả năng chịu đựng của các bộ phận trong môi trường hoạt động thực tế, mà còn là một công cụ quan trọng để phát hiện và loại bỏ những điểm yếu có thể gây ra sự cố và tai nạn đáng tiếc trên đường. Hãy cùng COMIT đi vào chi tiết để hiểu rõ hơn về phương pháp này và vai trò quan trọng của nó trong việc đảm bảo an toàn và chất lượng của các thiết bị ô tô.
Mục đích của việc xác định tuổi thọ thiết bị
Khi áp dụng đúng cách, quá trình lão hóa nhanh có thể tạo ra hiệu ứng tương tự như quá trình thử nghiệm độ bền thông thường. Bằng cách rút ngắn thời gian tuổi thọ của sản phẩm chỉ trong vài ngày, kỹ sư có thể phát hiện và khắc phục các vấn đề liên quan đến thiết kế và quy trình sản xuất một cách kịp thời.
Trong quá trình này, sản phẩm được đặt trong môi trường lão hóa mà vượt quá giới hạn thiết kế, nhưng không làm hỏng vĩnh viễn sản phẩm. Điều này đảm bảo rằng sản phẩm không bị xuống cấp khi sử dụng trong điều kiện bình thường. Thử nghiệm này cũng giúp định rõ được độ tin cậy của sản phẩm trước khi đưa ra thị trường, giảm tỷ lệ sai sót mà không cần đầu tư quá nhiều vào việc thử nghiệm.
Ví dụ, một chiếc xe có thời hạn bảo hành chỉ 50.000 dặm có thể được thử nghiệm với môi trường vượt quá giới hạn này trong thời gian ngắn hơn, để đảm bảo rằng nó vẫn hoạt động ổn định trong điều kiện đường dài mà không cần phải chờ đợi nhiều năm để thu thập dữ liệu đáng tin cậy.
Quy trình thực hiện
Quá trình gia tốc lão hóa đối tượng các bộ phận hoặc cụm lắp ráp để kiểm tra môi trường:
- Vượt quá giới hạn thiết kế: Quá trình này tạo ra các điều kiện mô phỏng vượt quá các giới hạn được thiết kế ban đầu của sản phẩm. Điều này giúp tái tạo các lỗi bất thường thường gặp trong quá trình hoạt động mà sản phẩm có thể phải đối mặt trong môi trường thực tế.
- Sao chép các lỗi bất thường: Quá trình này nhằm mô phỏng các lỗi hay hỏng hóc mà sản phẩm có thể gặp phải trong quá trình sử dụng thông thường. Mục tiêu là tìm ra các vấn đề tiềm ẩn và khắc phục chúng trước khi sản phẩm được đưa ra thị trường.
- Không xâm phạm vào vùng hủy: Quá trình thử nghiệm được thiết kế sao cho không gây ra hỏng hóc vĩnh viễn hoặc làm suy giảm tính năng của sản phẩm, nhưng vẫn đảm bảo rằng các điều kiện thử nghiệm đủ khắc nghiệt để tái tạo môi trường sử dụng thực tế.
Vì các sản phẩm ô tô có tuổi thọ lâu dài và phải đối mặt với nhiều điều kiện khác nhau trong quá trình sử dụng, việc xác định yếu tố lão hóa cho từng thành phần là rất quan trọng. Điều này giúp kỹ sư phát triển các cấu hình thử nghiệm gia tốc phù hợp để kiểm tra mỗi thành phần trong điều kiện mô phỏng.
Có khả năng tính toán hệ số lão hóa cho từng vị trí sử dụng cho phép kỹ sư phát triển các cấu hình thử nghiệm tăng tốc với thời gian tiếp xúc với thử nghiệm không quá 1/10 tuổi thọ bình thường. Điều này giúp đảm bảo rằng các sản phẩm ô tô được kiểm tra đầy đủ trước khi đưa ra thị trường, giảm thiểu nguy cơ phát sinh lỗi và tăng tính tin cậy của xe.
Ví dụ về thử nghiệm xác định tuổi thọ thiết bị
Cụm quay như động cơ DC được thiết kế để đáp ứng tuổi thọ tối thiểu theo quy định của vật liệu chổi than. Môi trường xác định thời gian sử dụng dựa trên số giờ hoạt động ở nhiệt độ tối đa. Tuổi thọ của bàn chải là một chức năng trực tiếp của môi trường mà nó được sử dụng.
Động cơ DC là gì? Đông cơ DC (Direct Current Motor) là một loại động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý của dòng điện một chiều (DC). Trong động cơ DC, dòng điện chạy qua cuộn dây của rotor (rotor là phần quay của động cơ), tạo ra một cảm ứng từ, khiến cho rotor quay. Sự quay của rotor được điều khiển bằng cách thay đổi dòng điện đầu vào hoặc sử dụng một hệ thống điều khiển điện tử để điều chỉnh dòng điện và hướng dòng điện trong cuộn dây.
Động cơ DC có nhiều ứng dụng trong các thiết bị và hệ thống cơ điện tử, bao gồm các ứng dụng công nghiệp, gia đình và thương mại. Các ứng dụng điển hình của động cơ DC bao gồm các thiết bị gia dụng như máy giặt, máy sấy, quạt, cũng như trong các hệ thống tăng áp và hệ thống đồng bộ hoá trong công nghiệp.
Các thử nghiệm đã được thực hiện trên cụm quay để so sánh kết quả kiểm tra độ bền (mô phỏng) với kết quả kiểm tra lão hóa gia tốc (kích thích) với tỷ lệ tương quan 1:1. Các thử nghiệm lão hóa cấp tốc xác nhận rằng sự kết thúc của tuổi thọ xảy ra trong khoảng một phần mười thời gian so với khi lỗi tương tự xảy ra trong quá trình thử nghiệm độ bền. Điều này phản ánh trải nghiệm của người sử dụng.
Chúng ta có thể áp dụng quá trình lão hóa nhanh cho các thành phần có tuổi thọ bị giới hạn bởi sự mài mòn khi hiểu rằng sự hao mòn của những vật liệu này diễn ra theo cấp số nhân của sự tăng nhiệt. Ví dụ, vì chổi than bị mài mòn do tác động của nhiệt mà ít hoặc không bị ảnh hưởng bởi chu trình quay, trong khi vòng bi bị ảnh hưởng bởi cả chu trình nhiệt và nhiệt độ cao, nên một thử nghiệm duy nhất cần được phát triển cho từng nhóm thành phần.
Sự lão hóa của sản phẩm được xem xét trong bốn chế độ hoạt động:
- Sử dụng bình thường.
- Giới hạn thiết kế trên và dưới.
- Vùng vượt quá giới hạn thiết kế là vùng tha thứ của thiết kế.
- Vùng xảy ra sự phá hủy do hệ số giãn nở vượt quá giới hạn đàn hồi của vật liệu gây ra hư hỏng do mỏi.
Các thử nghiệm lão hóa hợp lệ tránh xa khu vực gây ra sự phá hủy.
Phát triển và áp dụng hồ sơ thử nghiệm
Bằng việc thực hiện thao tác với các môi trường mô phỏng, Siemens đã phát triển một hồ sơ môi trường kích thích. Công ty đã áp dụng các yếu tố lão hóa cho các quãng đường bảo hành khác nhau và giảm thời gian kiểm tra linh kiện ô tô xuống dưới hai tuần. Các điều kiện được áp dụng vượt quá giới hạn thiết kế nhưng không xâm phạm vào vùng phá hủy.
Siemens là gì? Siemens là một tập đoàn công nghệ đa quốc gia có trụ sở tại Đức, được biết đến với sự hoạt động rộng lớn trong các lĩnh vực công nghiệp, năng lượng, công nghệ thông tin, y tế, và hạ tầng. Tập đoàn này được thành lập vào năm 1847 bởi Werner von Siemens và Johann Georg Halske tại Berlin, Đức, dưới tên gọi “Telegraphen-Bauanstalt von Siemens & Halske”. Từ đó, Siemens đã phát triển trở thành một trong những công ty công nghệ lớn nhất trên thế giới.
Quá trình lão hóa theo lôgarit (10 lần trở lên) bắt đầu khi mẫu thử phải chịu môi trường vượt quá giới hạn thiết kế của sản phẩm. Nếu mẫu thử nghiệm phải chịu các môi trường gần hoặc trong vùng phá hủy các đặc tính nhiệt hoặc giới hạn đàn hồi của sản phẩm, thì tốc độ lão hóa từ 100 lần trở lên sẽ xảy ra. Cần phải cẩn thận để ngăn chặn điều này.
Mục tiêu của Siemens là cung cấp các sản phẩm không hỏng hóc với chi phí thấp hơn. Vì vậy, chương trình tăng tốc độ lão hóa giúp giảm thời gian đưa ra thị trường và đảm bảo độ tin cậy cao. Khi một hệ thống cơ khí yêu cầu tuổi thọ 2.000 giờ có thể được kiểm tra trong 168 giờ, thì sẽ có đủ thời gian để cải tiến thiết kế và xác nhận tính toàn vẹn của thiết kế.
Việc giảm thời gian thiết kế trên một sản phẩm Siemens từ chu kỳ chín tháng xuống dưới hai tháng giúp tiết kiệm ít nhất 60% chi phí. Các cấu hình thử nghiệm gia tốc ban đầu (dưới hai tuần) — nằm gần khu vực phá hủy vật liệu — cho phép nhiều thời gian để tối ưu hóa cấu hình cuối cùng.
Siemens đã phát triển các trình tự kiểm tra môi trường độc đáo và đặt các sản phẩm vào các điều kiện tương quan với các cơ chế hao mòn và hư hỏng do kết tủa. Điều này trở nên khả thi bởi vì kiến thức chi tiết về mối quan hệ giữa việc sử dụng, thiết kế tha thứ và giới hạn hủy đã được phát triển. Sau đó, công ty có thể áp dụng tốc độ lão hóa gấp 10 lần hoặc hơn so với mức sử dụng thông thường, đẩy nhanh thời gian đưa ra thị trường để đạt được điểm số của sản phẩm.
Một số lưu ý cần biết
Có nhiều cách tiếp cận khác nhau để phát triển các cấu hình lão hóa nhanh, mỗi cách đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Một số hệ thống sử dụng sự thay đổi khí hậu tĩnh, trong đó môi trường được điều chỉnh để tạo ra các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khác nhau, tương tự như các điều kiện mà sản phẩm sẽ phải chịu đựng trong quá trình sử dụng. Việc sử dụng sự thay đổi khí hậu tĩnh có thể giúp tái tạo môi trường thử nghiệm một cách chính xác và lặp lại, tạo điều kiện cho việc đánh giá sự ổn định và độ tin cậy của sản phẩm trong các điều kiện khác nhau.
Trong khi đó, một số hệ thống khác tập trung vào sự mài mòn cơ học như làm động lực chính trong việc phát triển đánh giá cơ chế hư hỏng. Thay vì tạo ra các điều kiện nhiệt độ khác nhau, các hệ thống này sẽ tạo ra sự mài mòn và hao mòn trên bề mặt của sản phẩm bằng cách sử dụng các cơ chế cơ học như xoay, rung, hay ma sát. Việc này giúp mô phỏng các tình huống thực tế mà sản phẩm có thể phải đối mặt trong quá trình sử dụng.
Lão hóa cấp tốc là một kỹ thuật có hiệu quả, nhưng hiệu quả của nó phụ thuộc vào mức độ áp dụng của nó. Để có kết quả đáng tin cậy, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng việc lựa chọn và thực hiện các phương pháp lão hóa phù hợp với từng sản phẩm cụ thể. Đồng thời, việc áp dụng các yếu tố lão hóa cần phải được thực hiện một cách tỉ mỉ và chính xác, để đảm bảo rằng quá trình lão hóa thật sự phản ánh được điều kiện thực tế mà sản phẩm sẽ gặp phải trong quá trình sử dụng.
