加速壽命試驗(yàn)在汽車天線開發(fā)中的應(yīng)用

曾建安

（廣汽三菱汽車有限公司，湖南 長沙 410007）

1 引言

對于汽車天線這樣壽命非常長的零部件，以實(shí)際使用條件來檢驗(yàn)汽車零部件的壽命需要花費(fèi)的試驗(yàn)時(shí)間太長，是不現(xiàn)實(shí)的，因此對天線采用加速壽命試驗(yàn)的方法確保品質(zhì)可靠性。

圖1為天線試驗(yàn)樣品。天線的壽命終止 （或稱故障）系基體物質(zhì)因蒸發(fā)、擴(kuò)散、氧化、吸附、腐蝕、離子轉(zhuǎn)移、再結(jié)晶等物理與化學(xué)反應(yīng)而逐步劣化，隨著時(shí)間的過去，應(yīng)力累積到該零件上，該零件逐步劣化，劣化量達(dá)到一個(gè)定值時(shí)，量變轉(zhuǎn)化為質(zhì)變，該零件失去了正常的性狀，也就由正常品轉(zhuǎn)化為廢品，因此原來物體的壽命也就終止了。天線的老化原因主要是如下3個(gè)應(yīng)力：溫度、溫濕度和溫度循環(huán)。分別應(yīng)用阿倫尼斯模型、勞森模型和科芬-曼森模型進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)［1-2］。加速壽命試驗(yàn)是利用高應(yīng)力條件下的壽命特征去外推正常環(huán)境應(yīng)力水平下的壽命特征。

圖1 天線試驗(yàn)樣品

2 天線的高溫操作耐久（HTOE）試驗(yàn)-阿倫尼斯模型

高溫操作耐久試驗(yàn)應(yīng)用阿倫尼斯模型，該模型 （Arrhenius mode）描述了壽命的溫度函數(shù)，模型描述了由于化學(xué)反應(yīng)和金屬的擴(kuò)散導(dǎo)致退化失效，驗(yàn)證電子電氣部品在高溫環(huán)境中運(yùn)行規(guī)定時(shí)間后的性能。

假設(shè)1個(gè)零件剛生產(chǎn)出來的時(shí)候開始，到時(shí)間t時(shí)，累積劣化量發(fā)生是f（t），如果R（t）代表零件在時(shí)間為t時(shí)的化學(xué)反應(yīng)速度 （如電阻、電流、溫度、場強(qiáng)和干擾等）。那么累積劣化量：

式中：f（t）——零件的累積劣化量；t——零件的使用時(shí)間。

把時(shí)間離散化，零件自生產(chǎn)出到時(shí)間t為止，分成n個(gè)足夠小的時(shí)間片斷，則每個(gè)時(shí)間片段內(nèi)的反應(yīng)速度可以看成是常量，假設(shè)在第i個(gè)時(shí)間片段內(nèi)，應(yīng)力等于常量ui，第i個(gè)時(shí)間片斷的時(shí)間長度是τi，那么

在第i個(gè)時(shí)間片斷內(nèi)的劣化量：

到時(shí)間t為止，累計(jì)劣化量為：

可見，失效導(dǎo)致壽命終止的原因是應(yīng)力的強(qiáng)度 （代表化學(xué)反應(yīng)的速度）和應(yīng)力作用的時(shí)間。阿倫尼斯模型描述了由于單純的溫度決定的化學(xué)反應(yīng)的速度［3］：

式中：R——反應(yīng)速度；C——指數(shù)前因子，常量，依賴金屬特性和測試條件；EA——激活能量，通常使用電子伏特，Ev；K——波爾茨曼常量，8.617×10-5Ev／°C；T——絕對開爾文溫度，°K，等于攝氏溫度加273。

同樣的零件，在兩種不同的環(huán)境應(yīng)力條件下做壽命測試，可得2個(gè)不同的反應(yīng)速度R1（低應(yīng)力條件）和R2（高應(yīng)力條件）。加速因子［4］的定義就是AT=R1／R2。根據(jù)預(yù)測的加速因子，升高溫度應(yīng)力，即可短時(shí)間內(nèi)造成強(qiáng)制劣化效果，從而可以通過在試驗(yàn)室內(nèi)的已知壽命預(yù)測在自然使用條件下的壽命，從而加速壽命試驗(yàn)。由此可見，加速壽命試驗(yàn)，最關(guān)鍵的是如何確定加速因子 （Accelerated Factor）。

通過應(yīng)用阿倫尼斯模型，在一定的溫度下就可以確定一個(gè)反應(yīng)速度，比如在某一溫度環(huán)境下，在T1條件下的反應(yīng)速度為R1，在溫度是T2的條件下，反應(yīng)速度是R2。條件T2相比條件T1下化學(xué)反應(yīng)的加速因子可以使用如下的公式表達(dá)：

式中：AT——在測試條件和環(huán)境條件對照加速因子；T1——絕對開爾文溫度，在溫度T1條件下；T2——絕對開爾文溫度，在溫度T2條件下。

因此，在加速條件下，在試驗(yàn)室高溫下短時(shí)間內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)效果，可以相當(dāng)于在自然環(huán)境下很長時(shí)間和各種條件下的化學(xué)反應(yīng)的累積效果。

試驗(yàn)室內(nèi)總的測試耐久時(shí)間計(jì)算如下：

式中：Ttest_time——測試條件下的總試驗(yàn)時(shí)間；Top_time——服務(wù)壽命周期內(nèi)的零件的總運(yùn)行時(shí)間；TDi——第i次溫度條件下所占時(shí)間占總壽命期內(nèi)的比例；ATi——第i次溫度條件下相對測試條件下的化學(xué)反應(yīng)的加速因子；EA——激活能，汽車電子產(chǎn)品一般取0.45。表1為典型溫度條件。

表1 典型溫度條件

本文的天線安裝在車頂上，處在溫度等級3下，各種溫度的分布時(shí)間占比為溫度等級3，天線的設(shè)計(jì)服務(wù)周期是15年或許12000h的運(yùn)行時(shí)間，在125℃下加速測試的時(shí)間計(jì)算如下。

在125℃相對-40℃下的加速因子如下：

同理，在125℃相對23℃、76℃、120℃、125℃下的加速因子分別為：92、6.3、1.2、1。

那么在溫度等級3條件下，運(yùn)行12000h相當(dāng)于在125℃加速反應(yīng)運(yùn)行時(shí)間為：

3 天線的高溫高濕（HTHE）試驗(yàn)-勞森模型

天線的高溫高濕加速壽命試驗(yàn)應(yīng)用勞森模型 （Lawson Model），該模型在阿倫尼斯基礎(chǔ)上，增加了因?yàn)闈穸纫鸬母g失效機(jī)制的影響。勞森模型定義了由于高的溫度和相對濕度的復(fù)合效果的加速因子，驗(yàn)證電子電氣部品在經(jīng)歷穩(wěn)態(tài)（非運(yùn)行時(shí)間）后的耐腐蝕性能 （失效機(jī)理：金屬腐蝕）。勞森模型見如下等式［2］：

總耐久測試時(shí)間：

式中：Ttest_time——測試時(shí)間；Tnonop_time——組件在服務(wù)周期內(nèi)非運(yùn)行時(shí)間；AT／RH——溫度（T）和相對濕度（RH）的組合加速因子。

表2 HTHE試驗(yàn)平均溫度和濕度等級

天線的設(shè)計(jì)使用壽命是15年，非運(yùn)行時(shí)間119400小時(shí)，計(jì)算在高溫高濕測試環(huán)境是85°C，85%RH下的天線加速測試時(shí)間如下。

1）根據(jù)表2計(jì)算在85℃，85%RH下的加速因子：

4 天線的動(dòng)力熱循環(huán)（PTCE）試驗(yàn)-科芬曼森模型

圖2為PTCE試驗(yàn)照片。天線在一天內(nèi)經(jīng)歷中午高溫到凌晨低溫的2個(gè)溫度循環(huán)，科芬-曼森模型 （Coffin-Manson Mode）適用于溫度循環(huán)加速試驗(yàn)，失效機(jī)理：金屬的熱機(jī)械疲勞失效或PCB受熱循環(huán)時(shí)的焊點(diǎn)脫落。天線每一天中都要經(jīng)歷凌晨最低溫度，中午最高溫度，一天經(jīng)歷2個(gè)溫度循環(huán)，比如汽車使用周期為15年，那么需要經(jīng)歷10950（365×15×2）個(gè)循環(huán)。實(shí)際試驗(yàn)中不可能做那么多的循環(huán)，因而采用提高溫度差的方式做加速試驗(yàn)。把樣品放在常溫試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)箱溫度由常溫以一定的溫度變化率 （通常4℃／Min）降低到最低溫，靜置一段時(shí)間，受試品全部物質(zhì)溫度達(dá)到最低溫度；試驗(yàn)箱溫度以同樣溫度變化率升高到最高溫，靜置一段時(shí)間，待受試品全部物質(zhì)溫度達(dá)到最高溫度后，再回到常溫，如此循環(huán)。

圖2 PTCE試驗(yàn)照片

加速因子計(jì)算如下：

式中：Acm——溫度循環(huán)試驗(yàn)的加速因子；ΔTtest——試驗(yàn)時(shí)的最高溫度與最低溫度之差；ΔTfield——科芬曼森循環(huán)平均溫度，廠家指定，三菱指定見表1最后一行；c——常量，廠家指定，三菱取值2.5。

天線安裝在車頂上，設(shè)計(jì)使用壽命15年，產(chǎn)品實(shí)用溫度等級3，溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)的高溫是125℃，低溫是-40℃，查表1，科芬曼森循環(huán)平均溫度是46℃。

那么溫度循環(huán)次數(shù)是：Ntestcycles=365×15×2／12.866=851（次）。

5 結(jié)束語

本文涉及到的天線，經(jīng)過高溫操作耐久、高溫高濕、動(dòng)力熱循環(huán)試驗(yàn)之后，在試驗(yàn)中和試驗(yàn)后工作正常，各項(xiàng)參數(shù)保持和初始性能一致。三大氣候環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的實(shí)施和驗(yàn)證，確保了該天線在裝車后15年的耐候壽命。

天線的加速壽命試驗(yàn)對加速天線產(chǎn)品的開發(fā)周期、節(jié)省試驗(yàn)資源、降低測試費(fèi)用、提高電子零件品質(zhì)和可靠性，具有重要的意義。對于其他汽車電器零部件的可靠性試驗(yàn)也具有一定的借鑒意義。