汽車線束的加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)與疲勞壽命評估

張偉，陳鵬，王文岳，錢思宇

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，蘇州 215011）

前言

線束在汽車運(yùn)行中起著傳遞電壓、信號及數(shù)據(jù)的作用，稱得上是汽車的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，特別是在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的工業(yè)背景下，不僅要求線束起到通斷作用，而且還對數(shù)據(jù)的傳輸速率及響應(yīng)能力提出了更高的要求[1]。線束的失效不僅影響整車信號傳遞及通斷，更嚴(yán)重的甚至危及駕駛員的生命安全，因此，有必要對線束在失效物理層面上進(jìn)行深入分析研究，根據(jù)線束潛在的失效機(jī)理定量化的建立失效物理模型，考核線束的疲勞失效壽命在工程實(shí)踐中變得十分重要。

加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)是建立在對產(chǎn)品失效充分認(rèn)識的基礎(chǔ)上來考核產(chǎn)品壽命或可靠性特征量的一種方法。至少包含以下技術(shù)細(xì)節(jié)：①對產(chǎn)品所有已知或是潛在的失效模式及失效機(jī)理的了解；②產(chǎn)品各失效模式下的加速方式及量化設(shè)計(jì)所需要的失效機(jī)理模型；③加速試驗(yàn)中產(chǎn)品失效的判據(jù)與檢測方式。以上三個方面是以量化可靠性評價為目的進(jìn)行加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)的必要條件，缺一不可。

本文以汽車線束為研究對象，在對汽車線束的失效模式與失效機(jī)理充分了解的基礎(chǔ)上，給出一個量化設(shè)計(jì)的加速試驗(yàn)方案，滿足其量化可靠性指標(biāo)評價的目的。

1 汽車線束的失效模式與失效機(jī)理

在工程實(shí)踐中，獲取產(chǎn)品失效模式與失效機(jī)理等信息一般來源于FMMEA （Failure Mode Mechanism and Effect Analysis），即所謂的失效模式、機(jī)理與影響分析。但僅通過FMMEA仍然難以完成一個產(chǎn)品的量化可靠性評價，原因在于通常工業(yè)環(huán)境條件下所提供的FMMEA仍然缺失加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)所必要的技術(shù)性細(xì)節(jié)。這些細(xì)節(jié)可以概括為如下幾點(diǎn)：①一般產(chǎn)品失效的相應(yīng)根因分析；②失效的特征參數(shù)與失效判據(jù)；③失效發(fā)生的工作環(huán)境與條件。

本節(jié)在明確汽車線束所有已知或潛在失效模式及失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，給出加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的一些關(guān)鍵性技術(shù)細(xì)節(jié)，輔助完成汽車線束量化可靠性評價與壽命評估等工作內(nèi)容。

汽車線束主要由銅制接插件、塑料護(hù)套和電線等組成，插接件與電線壓接后安裝在塑料護(hù)套內(nèi)，電線以線束捆扎、膠帶包裹構(gòu)成[2]，如圖1所示。電線束在整車中的作用是將電氣系統(tǒng)的電源信號和數(shù)據(jù)信號進(jìn)行傳遞和交換，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的功能和要求[2]。汽車線束應(yīng)用于汽車各個部位，有處于高溫環(huán)境下的發(fā)動機(jī)機(jī)艙里，有處于沙塵、水和泥漬等惡劣環(huán)境的底盤下，有處于汽車前后門及行李后蓋的彎折處等等，汽車線束在這些復(fù)雜嚴(yán)苛的環(huán)境中長期工作，可能面臨各種失效的發(fā)生。因此，研究汽車線束的失效模式和失效機(jī)理對于預(yù)防汽車線束的失效發(fā)生具有重要作用。

如前所述，汽車線束主要由銅制接插件、塑料護(hù)套和電線這3類組成，關(guān)于汽車線束的FMMEA匯總?cè)绫?所示。

2 加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

從汽車線束FMMEA可以看出，對汽車線束影響最大的部位為銅制接插件和電線，此類失效屬于汽車線束的功能性失效，輕者影響汽車某個功能的使用，重者危害汽車駕駛員的安全。因此，需要重點(diǎn)關(guān)注銅制接插件和電線在實(shí)際使用過程中的失效情況。

為了量化估計(jì)汽車線束的疲勞壽命，則需設(shè)計(jì)量化的加速試驗(yàn)方案，如前所述，重點(diǎn)考慮汽車線束的銅制接插件和電線的失效，其對應(yīng)的失效機(jī)理分別為腐蝕磨損、材料疲勞和材料老化，根據(jù)各失效機(jī)理分別建立對應(yīng)的失效物理模型。

1）腐蝕磨損：采用粘著磨損模型[3]

式中：

Q—接觸表面的黏著磨損量，cm3；

W—接觸面法向載荷，N；

σy—兩磨損面中較軟材料的屈服極限，Pa；

K—黏著磨損系數(shù)，cm/（N·m）；

L—磨損滑動的距離（m）、與移動速度v（m/s）和時間 t（s）有關(guān)，L=vt。

圖1 汽車線束組成

表1 汽車線束FMMEA結(jié)果匯總

2）材料疲勞：S-N曲線[4]

式中：

A、B—材料參數(shù)；

S—應(yīng)力；

N—疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）。

3）材料老化：Arrhenius公式[5]

式中：

k—速率常數(shù)；

R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K）；

T—熱力學(xué)溫度（K）；

Ea—表觀活化能（J/mol）；

A—指前因子（也稱頻率因子）。

本文只考慮電線的失效，因而主要針對電線的材料疲勞和材料老化失效機(jī)理量化設(shè)計(jì)加速方案。加速試驗(yàn)方案主要通過失效物理模型得出如下四個方面信息[6]：

①加速（失效）模型

②加速模型中的應(yīng)力載荷因素

③可施加應(yīng)力載荷的參考條件

④加速試驗(yàn)量化參數(shù)的估計(jì)

關(guān)于加速模型即選取上述的失效物理模型，分別為材料疲勞的S-N曲線和材料老化的Arrhenius公式。加速模型中的應(yīng)力載荷因素是造成產(chǎn)品失效的根本原因，線束疲勞主要考慮線束長期進(jìn)行彎折耐久運(yùn)動產(chǎn)生的疲勞累計(jì)損傷，因此，線束疲勞的應(yīng)力因素應(yīng)為對線束造成疲勞累計(jì)的各影響因素之和。線束老化主要考慮溫度對線束的老化影響，因此，線束老化的應(yīng)力因素應(yīng)為溫度。

關(guān)于應(yīng)力載荷的參考條件，即加速試驗(yàn)的一個參照點(diǎn)，所謂的參照點(diǎn)是指產(chǎn)品在正常工作環(huán)境條件下的應(yīng)力載荷水平。本文以汽車線束為研究對象，主要考核汽車線束長期彎折耐久運(yùn)動的線束疲勞失效壽命，為了實(shí)現(xiàn)線束疲勞耐久運(yùn)動，以達(dá)到加速的作用，采用了線束疲勞耐久試驗(yàn)裝置（如圖2所示）模擬汽車線束在實(shí)際工作中的安裝狀態(tài)及彎折運(yùn)動。

此外，溫度在這過程中加速了線束材料的老化失效，汽車線束老化的應(yīng)力載荷因素溫度，選取25 ℃作為參考基準(zhǔn)。溫度載荷的施加方式較為容易，直接將汽車線束連同工裝放置于可程式溫箱來模擬汽車線束在不同工作環(huán)境下的溫度條件。

關(guān)于加速試驗(yàn)量化參數(shù)的估計(jì)，主要包括加速試驗(yàn)應(yīng)力水平的估計(jì)，加速試驗(yàn)時間的估計(jì)以及加速因子的估計(jì)。本試驗(yàn)主要考慮線束材料疲勞及材料老化二種失效機(jī)理?xiàng)l件下的加速試驗(yàn)方案，加速線束疲勞失效采用線束疲勞耐久試驗(yàn)裝置，將線束三軸向運(yùn)動位移范圍設(shè)置為±12 mm，頻率為1 Hz，即三軸同時運(yùn)動一次時間為1 s，試驗(yàn)時間設(shè)置為105s，加速線束老化失效利用溫箱來實(shí)現(xiàn)，設(shè)置溫度為125 ℃，時間設(shè)置為1 000 h。

加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)關(guān)鍵性技術(shù)細(xì)節(jié)還有一點(diǎn)就是產(chǎn)品的失效判據(jù)及失效檢測方式。產(chǎn)品的失效判據(jù)及失效檢測方式不僅影響加速試驗(yàn)結(jié)果，也影響最終產(chǎn)品可靠性評價結(jié)果。因此，產(chǎn)品的失效判據(jù)及失效檢測方式為加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)重要的環(huán)節(jié)。

圖2 汽車線束疲勞耐久試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)主要考核的是線束的電線部分疲勞失效情況，電線失效往往發(fā)生于電線內(nèi)部斷絲而引起阻抗的增加。因此，選取線束的阻抗值作為失效的特征變量。通過高采樣頻率測量線束的阻抗值來監(jiān)測線束內(nèi)部的損傷情況，選取阻抗分析儀作為試驗(yàn)儀器，并以1 kHz作為測試頻率，在線束二端施加交流電信號，測取不同時刻的阻抗值[7]。試驗(yàn)初始時刻測量線束阻抗并記錄，試驗(yàn)過程中測量頻率間隔為10 s/次，試驗(yàn)結(jié)束后再次測量并記錄。根據(jù)行業(yè)一般標(biāo)準(zhǔn)采用100 MΩ的阻抗作為失效判據(jù)，即認(rèn)為阻抗值超過這一標(biāo)準(zhǔn)即判定為產(chǎn)品失效。

3 疲勞壽命評估

按上述加速試驗(yàn)方案對汽車線束進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，分別為疲勞耐久試驗(yàn)和高溫老化試驗(yàn)。疲勞耐久試驗(yàn)進(jìn)行到產(chǎn)品發(fā)生失效或者達(dá)到試驗(yàn)時間停止，試驗(yàn)時間為105s約為27.8 h，加速因子為105/20等于5 000，因此，疲勞壽命粗略估計(jì)為27.8 h×5 000，約為15.9年。

高溫老化試驗(yàn)在125 ℃試驗(yàn)條件下進(jìn)行1 000 h，由于線束老化的失效機(jī)理模型為Arrhenius公式，故加速因子由加速應(yīng)力水平下Arrhenius公式參數(shù)對正常應(yīng)力水平下Arrhenius公式參數(shù)得到，如下式所示：

式中：

AF—加速因子；

Tuse—正常使用環(huán)境條件下的溫度；

Tstress—加速條件下的環(huán)境溫度（單位為熱力學(xué)溫度K），試驗(yàn)中表觀活化能Ea取3.08（J/mol）；

R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K），Tuse=273+25=298 K，Tstress=273+125=398 K，代入加速因子計(jì)算公式得出加速因子AF約為22.76，由此可估算出線速老化壽命約為2.6年。

通過上述加速試驗(yàn)結(jié)果，可得出進(jìn)行10萬次的疲勞耐久試驗(yàn)可模擬汽車線束15.9年的疲勞壽命，進(jìn)行1 000 h的125 ℃高溫老化試驗(yàn)可模擬汽車線束2.6年的老化壽命。在實(shí)際工程中，可根據(jù)不同種類的汽車線束和不同的使用環(huán)境要求進(jìn)行特定的加速壽命試驗(yàn)，研究方法供汽車行業(yè)在進(jìn)行線束可靠性量化評價方面提供一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

4 結(jié)語

產(chǎn)品加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的在于提供一個加速試驗(yàn)方案，以滿足產(chǎn)品可靠性尤其是相關(guān)量化評價的要求。本文以汽車線束為研究對象，在明確汽車線束失效模式及失效機(jī)理的基礎(chǔ)上給出一個量化的加速試驗(yàn)方案，來定量化的評估汽車線束的疲勞壽命及老化壽命，研究結(jié)果供汽車行業(yè)在評價汽車線束的可靠性量化特征方面提供一個一般性的研究思路。由于汽車線束實(shí)際工作環(huán)境的復(fù)雜性，失效存在多方面的影響因素，還需要對汽車線束在實(shí)際使用中發(fā)生的失效信息進(jìn)行交叉校核來進(jìn)一步量化汽車線束的可靠性壽命特征量。