汽車電連接器振動(dòng)可靠性室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)研究

陳 劍 修 磊 馬文明 陸 兵 李 青

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

0 引言

汽車電連接器作為汽車電器系統(tǒng)的連接部分,其可靠性對(duì)整個(gè)電器系統(tǒng)能否正常工作影響很大。由于路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)這兩大激勵(lì)源的存在,使得汽車電器長(zhǎng)期工作在劇烈的振動(dòng)和沖擊之下,這些因素對(duì)汽車電器的可靠性有很大影響。資料統(tǒng)計(jì)表明:在汽車運(yùn)行過(guò)程中,電器與電子系統(tǒng)故障占整車故障的比例極高,且呈逐年增加的趨勢(shì)[1]。在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)車輛及其零部件進(jìn)行道路模擬振動(dòng)試驗(yàn),有效率高、費(fèi)用小等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段[2]。

汽車電連接器振動(dòng)可靠性室內(nèi)試驗(yàn)的方法是,將被試系統(tǒng)(汽車線束及電器系統(tǒng))移植到試驗(yàn)臺(tái)上,在試驗(yàn)輔助系統(tǒng)如電源、信號(hào)模擬器等設(shè)備的支持下,使被試系統(tǒng)可按實(shí)際工作狀態(tài)工作。試驗(yàn)臺(tái)的激勵(lì)信號(hào)采用的是實(shí)車路譜信號(hào),利用時(shí)域復(fù)現(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)道路振動(dòng)的模擬,相對(duì)于國(guó)標(biāo)中規(guī)定的汽車電器正弦或隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)方法,采用實(shí)車路譜能夠很好地再現(xiàn)汽車電連接器的實(shí)際工況。電連接器在試驗(yàn)中同時(shí)承受電應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的作用,使試驗(yàn)工況與實(shí)際更為接近。

對(duì)于實(shí)車路譜信號(hào)的規(guī)范,汽車電連接器振動(dòng)可靠性的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定。因此,不能用一般的正弦或隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),而且試驗(yàn)的強(qiáng)化時(shí)間無(wú)法確定。由于汽車電器系統(tǒng)是汽車的一部分,因此可以使用汽車整車質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的故障里程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 電連接器振動(dòng)可靠性模型

在振動(dòng)應(yīng)力作用下,電連接器插針、插孔之間會(huì)產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng),由于電連接器結(jié)構(gòu)條件的限制,電連接器插孔和插針間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度很小,伴隨著產(chǎn)生的摩擦腐蝕屬于微動(dòng)磨損。持續(xù)的微動(dòng)磨損會(huì)使電連接器的材料發(fā)生疲勞破壞。破壞的主要形式是由微動(dòng)磨損引發(fā)的腐蝕物從材料表面脫落,當(dāng)產(chǎn)生的腐蝕物碎片填滿接觸處的低凹部分,并使兩接觸表面分開(kāi)約20nm時(shí),電連接器材料發(fā)生破壞引起的接觸電阻急劇增大,從而使電連接器失效[3]。

依據(jù)柯思林[4]的研究,受微動(dòng)磨損作用的材料在一定的環(huán)境條件下,其疲勞壽命的S—N曲線近似呈線性。某材料微動(dòng)磨損的S—N曲線如圖1所示。

可以認(rèn)為在環(huán)境條件一定的條件下,汽車電連接器在微動(dòng)磨損作用下的失效模型為線性累積損傷失效。因此,可以利用Miner線性累積損傷原理對(duì)汽車電連接的可靠性進(jìn)行研究。

1.1 Miner線性累積損傷原理

汽車電連接器在實(shí)際行駛過(guò)程中和在臺(tái)架上試驗(yàn)時(shí),受到隨機(jī)沖擊載荷的作用。可以認(rèn)為汽車電連接器受到 σ1,σ2,…,σn個(gè)不同水平的應(yīng)力作用 ;τ1,τ2,…,τn為對(duì)應(yīng)的載荷幅值 ;各級(jí)應(yīng)力水平下的壽命分別是N1,N2,…,Nn;而各級(jí)應(yīng)力水平下的實(shí)際循環(huán)數(shù)為n1,n2,…,nn。其Miner線性累積損傷示意圖[5]見(jiàn)圖2。

應(yīng)力級(jí)τi的損傷分量為

總損傷量為

由式(2)可知:①汽車電連接器達(dá)到破壞時(shí)的總損傷量是一常數(shù);②損傷與載荷的作用次序及作用時(shí)間無(wú)關(guān);③在試樣受載過(guò)程中,每一載荷循環(huán)都損耗試樣一定的有效壽命分量;④多循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生的所有損傷分量相加為1時(shí),試樣就發(fā)生破壞。且S—N曲線滿足

式中,C為與材料有關(guān)的常數(shù);m為疲勞指數(shù),可表示為S—N曲線與橫坐標(biāo)夾角的余切;N0為疲勞極限τ—1對(duì)應(yīng)的疲勞壽命。

對(duì)式(3)兩邊取對(duì)數(shù)可得

圖1中的S—N曲線是根據(jù)光滑小尺寸標(biāo)準(zhǔn)試樣,在對(duì)稱循環(huán)下的試驗(yàn)結(jié)果求平均值繪制得來(lái)的。對(duì)于實(shí)際的汽車電連接器,若直接按Miner的線性累積損傷理論對(duì)零件的疲勞壽命進(jìn)行估計(jì)還不夠精確,需要對(duì)其進(jìn)行修正。需要引入相應(yīng)的系數(shù)[6]:

式中,ε為零件的尺寸系數(shù);β為零件的表面加工系數(shù)。

根據(jù)材料S—N曲線的Basquin關(guān)系式,由N0/Ni=(τi/τ—1)m,可得修正后的Miner線性損傷理論表達(dá)式:

2 強(qiáng)化系數(shù)的數(shù)學(xué)模型

由圖1可知,受微動(dòng)磨損的材料,107次振動(dòng)對(duì)于包括很少發(fā)生的最嚴(yán)重的情況在內(nèi)的全部載荷有足夠的代表性,因而確定總和累積頻次曲線的總頻次擴(kuò)展到107次中發(fā)生一次,相當(dāng)于最大載荷發(fā)生頻率為10—7?？傻?/p>

式中,nz為各級(jí)載荷總循環(huán)次數(shù);n′i為第i級(jí)載荷在107次循環(huán)中發(fā)生的次數(shù)。

將式(7)代入式(6)得

式中,K為強(qiáng)化系數(shù)。

根據(jù)Miner線性損傷理論,當(dāng)D=1時(shí)試件就會(huì)發(fā)生疲勞破壞,可得

將其換算為壽命里程為

式中,L為壽命總里程;L0為載荷譜測(cè)定里程;n0為測(cè)定里程內(nèi)的載荷總循環(huán)數(shù)。

采集到的路譜信號(hào)要進(jìn)行處理后才能用于振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)信號(hào)。載荷譜測(cè)定里程L0由下面的公式得到:

式中,v0為數(shù)據(jù)采集時(shí)的車速;t0為路譜信號(hào)處理后的時(shí)長(zhǎng)。

將式(11)代入式(10),可得

根據(jù)強(qiáng)化系數(shù)定義,可得強(qiáng)化系數(shù)K[7]為

式中,L1、L2分別為在強(qiáng)化路面和普通路面達(dá)到相同失效時(shí)的壽命里程;(v1)0、(v2)0分別為強(qiáng)化路面和普通路面車輛行駛速度;(t1)0、(t2)0分別為強(qiáng)化路面和普通路面行駛時(shí)間。

3 強(qiáng)化系數(shù)的計(jì)算

汽車電連接器振動(dòng)可靠性室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)由振動(dòng)系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分組成。該系統(tǒng)通過(guò)采集實(shí)車路譜信號(hào)作為振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)信號(hào),采用時(shí)域復(fù)現(xiàn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)道路振動(dòng)的模擬。但是在汽車試驗(yàn)場(chǎng)采集的強(qiáng)化路面的路譜信號(hào),不能直接作為振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)信號(hào),要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行編輯和數(shù)據(jù)處理,將幅值較小或突變很大的信號(hào)部分除去,得到汽車在各種路面上行駛時(shí)的特征加速度時(shí)域信號(hào)及其功率譜密度,再用于振動(dòng)臺(tái)的控制。試驗(yàn)中采用自主開(kāi)發(fā)的在線監(jiān)控設(shè)備,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)有電連接器滿足失效標(biāo)準(zhǔn)時(shí),停止試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)的振動(dòng)次數(shù)。

由強(qiáng)化系數(shù)K的計(jì)算公式可知,要求出強(qiáng)化系數(shù)的具體值,需要知道各強(qiáng)化路譜信號(hào)與普通路譜信號(hào)的疲勞指數(shù)m的值及雨流統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)原理

試驗(yàn)的監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)硬件和軟件兩部分組成。硬件系統(tǒng)通過(guò)路由器組成局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)主控制器與各測(cè)量?jī)x器間的通信和數(shù)據(jù)交換;軟件系統(tǒng)采用LabWindows/CVI作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),主要功能包括監(jiān)測(cè)儀器控制與通信、監(jiān)測(cè)物理量的界面顯示、監(jiān)測(cè)對(duì)象故障狀態(tài)報(bào)警及診斷、測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四個(gè)方面的內(nèi)容。監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖3所示。

3.2 疲勞指數(shù)m值的確定

從檢驗(yàn)合格的汽車左前大燈電連接器中隨機(jī)抽取10個(gè),將其分為三組分別進(jìn)行試驗(yàn),各組個(gè)數(shù)依次為3、4、3。采集到的路譜信號(hào)的頻率都為中低頻,依據(jù)GB2423.10(電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)的正弦振動(dòng)試驗(yàn)方法)的規(guī)定,三組試驗(yàn)的振動(dòng)幅值分別為1g、5g、10g三個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)過(guò)程按照GJB1217—91(電連接器試驗(yàn)方法)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行。判斷電連接器失效的依據(jù)是[8]:①瞬斷時(shí)間大于10μ s;②接觸電阻值變化大于5mΩ。試驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。

表1 試件破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)

將表1中的數(shù)據(jù)在普通直角坐標(biāo)系中進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,其擬合曲線如圖4所示。

將圖4中的數(shù)據(jù)改為雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系,利用線性回歸方法,得到微動(dòng)磨損的疲勞方程:

式中,b為常數(shù)。

對(duì)比式(4)、式(14),可得疲勞指數(shù) m=1.64。

3.3 路譜信號(hào)雨流統(tǒng)計(jì)方法

試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際的激勵(lì)信號(hào)通過(guò)各段強(qiáng)化路譜信號(hào)的組合和多次循環(huán)得到。對(duì)路譜信號(hào)進(jìn)行處理后,用雨流法統(tǒng)計(jì)時(shí)域中的應(yīng)力次數(shù)和幅值。本文將幅值等分為25個(gè)等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),表2為組合強(qiáng)化路譜信號(hào)循環(huán)一次的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,圖5為路譜信號(hào)與幅值雨流統(tǒng)計(jì)直方圖。

表2 幅值雨流統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在107次振動(dòng)中,組合路譜信號(hào)的第i級(jí)載荷發(fā)生的次數(shù)n′i,可由頻次N與循環(huán)一次的振動(dòng)次數(shù)ny得到:

利用式(15)以及表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

普通路譜信號(hào)按照上述同樣的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。將統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果、組合路譜信號(hào)的時(shí)間及信號(hào)采集時(shí)的車速,代入強(qiáng)化系數(shù)的計(jì)算公式,可求得K=8.65。

比較上述強(qiáng)化系數(shù)與汽車試驗(yàn)場(chǎng)的強(qiáng)化系數(shù)可知,兩種強(qiáng)化系數(shù)有差別?？赡艿脑蚴?①由于采集儀器有誤差,使得采集得到的路譜信號(hào)與實(shí)際情況有差距;②對(duì)路譜信號(hào)進(jìn)行了糾奇點(diǎn)等處理,改變了路譜信號(hào)的原始特征;③信號(hào)不能得到完全的復(fù)現(xiàn)。雖然上述原因使得室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)難以完全地再現(xiàn)原貌,但仍可以認(rèn)為通過(guò)計(jì)算得到的強(qiáng)化系數(shù)與汽車試驗(yàn)場(chǎng)道路強(qiáng)化系數(shù)較接近。

3.4 強(qiáng)化時(shí)間的確定

該項(xiàng)目的研究對(duì)象為某輕型卡車,質(zhì)保里程S為40 000km;根據(jù)用戶調(diào)查,普通路面平均行駛速度為=70km/h。從而可得

根據(jù)強(qiáng)化試驗(yàn)的定義,可得

式中,t為強(qiáng)化時(shí)間。

將其換算為故障里程為

式中,Si為電連接器的故障里程;ti為室內(nèi)試驗(yàn)故障時(shí)間。

代入具體數(shù)據(jù)求得強(qiáng)化試驗(yàn)時(shí)間t=66.06h。將故障時(shí)間換算成故障里程,根據(jù)故障里程可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

(1)由于對(duì)路譜信號(hào)進(jìn)行了處理以及復(fù)現(xiàn)誤差的存在,使得該室內(nèi)試驗(yàn)的強(qiáng)化系數(shù)與汽車試驗(yàn)場(chǎng)道路的強(qiáng)化系數(shù)略有差別。

(2)強(qiáng)化系數(shù)K與疲勞指數(shù)m呈指數(shù)關(guān)系,得到的疲勞指數(shù)m是否精確,對(duì)通過(guò)計(jì)算得到的強(qiáng)化系數(shù)K是否正確影響很大。

(3)使用強(qiáng)化系數(shù)結(jié)合汽車整車質(zhì)量評(píng)價(jià)方法,解決了采用實(shí)車路譜時(shí)域復(fù)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)強(qiáng)化試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法評(píng)價(jià)、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不能確定的難題。

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