汽車零部件常用環(huán)境試驗(yàn)條件研究

陸建康

(蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215104)

0 引言

傳統(tǒng)汽車整車及其零部件的壽命分析方法，即在正常工作條件下獲得失效的方法，因周期長、難失效等原因，已經(jīng)無法滿足當(dāng)代汽車行業(yè)的發(fā)展要求。因而，需設(shè)計(jì)可靠性試驗(yàn)，在產(chǎn)品失效機(jī)制不變的情況下加速試驗(yàn)條件，在短時(shí)間內(nèi)找出汽車產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、原材料、工藝等方面存在的問題，從而加以解決，提高產(chǎn)品可靠性。然而，多數(shù)汽車零部件產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)條件照搬企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者國際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于試驗(yàn)條件背后的機(jī)制不清，造成一定程度的過度驗(yàn)證成驗(yàn)證不足。因此文中以汽車零部件常用的環(huán)境試驗(yàn)條件為例，通過對(duì)試驗(yàn)機(jī)制的理論研究，揭示了環(huán)境試驗(yàn)條件的確定過程，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供理論依據(jù)。

1 汽車零部件環(huán)境試驗(yàn)概述

ISO 16750-4《電氣和電子裝備的環(huán)境條件和試驗(yàn)-氣候環(huán)境》標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)汽車電氣和電子裝備、汽車線束、連接器等產(chǎn)品，提出了相應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力要求和試驗(yàn)要求，針對(duì)產(chǎn)品安裝位置的不同，要求滿足的環(huán)境試驗(yàn)等級(jí)也不同。在標(biāo)準(zhǔn)中，定義了低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)等各類環(huán)境試驗(yàn)的試驗(yàn)要求、試驗(yàn)條件和具體實(shí)施方法。其中低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)是模擬產(chǎn)品暴露在低溫下，產(chǎn)品不能承受霜凍或者因低溫造成電氣故障等失效；高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)是模擬產(chǎn)品暴露在高溫中，材料在高溫下老化、變形或造成產(chǎn)品電氣故障等失效；鹽霧試驗(yàn)是檢查產(chǎn)品在冬季或者海邊抵御空氣中的鹽霧或者鹽水的能力，探究產(chǎn)品表面因鹽霧或鹽水造成的腐蝕或因泄漏、滲透造成的電氣電路故障等失效模式；溫度循環(huán)試驗(yàn)是模擬產(chǎn)品在溫度變化中自身內(nèi)應(yīng)力的釋放以及熱載荷應(yīng)力的變化，探究產(chǎn)品在材料或者結(jié)構(gòu)上缺陷而造成材料的破裂、老化或密封失效等失效模式；濕熱試驗(yàn)是模擬產(chǎn)品在高濕高熱環(huán)境下，產(chǎn)品因潮濕或者“呼吸效應(yīng)”而引起的電氣故障。文中重點(diǎn)對(duì)汽車底盤輪轂上輪速傳感器及其線束的高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、溫濕度存儲(chǔ)試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)的具體試驗(yàn)條件、試驗(yàn)機(jī)制及確定過程進(jìn)行計(jì)算研究。

2 常用環(huán)境試驗(yàn)條件研究

2.1 高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)條件

不同品牌、不同大小的汽車，對(duì)于底盤輪轂周圍部件的高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)要求有差異，有的要求120 ℃存儲(chǔ)500 h，有的要求125 ℃存儲(chǔ)250 h，有的要求150 ℃存儲(chǔ)100 h等。以某品牌經(jīng)濟(jì)型轎車為例，高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)條件為：存儲(chǔ)溫度125 ℃，存儲(chǔ)725 h，產(chǎn)品試驗(yàn)后要求外觀、尺寸和功能等正常。

2.1.2 試驗(yàn)機(jī)制

在道路試驗(yàn)中可知，環(huán)境溫度35 ℃正常行駛工況下(包含城市、郊區(qū)、高速和山路)，車輛輪轂周圍部件的溫度為50～60 ℃；在AMS測(cè)試工況下，輪轂周圍部件的溫度為80～90 ℃。實(shí)際測(cè)得溫度明顯低于高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)溫度，高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)條件設(shè)立的依據(jù)就是加速壽命試驗(yàn)中的溫度應(yīng)力加速模型，即阿倫尼斯模型。該模型可有效激發(fā)恒溫度應(yīng)力下的失效并縮短失效時(shí)間。因此阿倫尼斯模型是最常用的溫度應(yīng)力加速模型，該模型能描述化學(xué)反應(yīng)速度、計(jì)算材料的老化速度或?qū)ο笮阅苁軠囟戎苯佑绊懙募铀僭囼?yàn)。阿倫尼斯模型公式如下：

(1)

式中：為產(chǎn)品在該溫度下的名義壽命；

為阿倫尼斯常量，與材料特性相關(guān)；

為活化能系數(shù)，單位為eV，該系數(shù)與失效機(jī)制相關(guān)，一般而言電子元器件或設(shè)備的活化能系數(shù)為0.3～1.5 eV;

K為玻爾茲曼常數(shù)，K=8.617 1×10eV/℃；

為絕對(duì)溫度，單位為K。

假設(shè)產(chǎn)品在溫度下應(yīng)用公式(1)計(jì)算得到壽命為，在溫度′下計(jì)算得到壽命為′，則與′之間的比值就是不同溫度應(yīng)力下的加速系數(shù)，如式(2)所示。

(2)

通過加速系數(shù)可對(duì)實(shí)際工作溫度下的壽命與高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)條件下的壽命進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換，如式(3)所示。

(3)

式中：為試驗(yàn)溫度下的存儲(chǔ)時(shí)間，單位為h；

為產(chǎn)品正常工作總時(shí)長，單位為h；

p為工作溫度在總工作時(shí)間中的占比；

f為工作溫度加速到試驗(yàn)溫度時(shí)的加速系數(shù)。

2.1.3 試驗(yàn)條件計(jì)算過程

選取輪轂周圍部件中的輪速傳感器及其線束為計(jì)算對(duì)象，根據(jù)整車廠的設(shè)計(jì)要求，輪速傳感器及其線束設(shè)計(jì)壽命為10年，等效工作時(shí)間為8 000 h，在各溫度下的工作時(shí)間比例見表1。

表1 設(shè)計(jì)工作溫度等級(jí)及時(shí)間比例

因低溫的作用機(jī)制與第2.1.2節(jié)中高溫存儲(chǔ)的試驗(yàn)機(jī)制不同，在試驗(yàn)條件計(jì)算中不予考慮。同時(shí)依據(jù)輪速傳感器及其線束在高溫下絕緣性能衰減的失效機(jī)制，選取相應(yīng)的活化能系數(shù)=0.45 eV。以第2.1.1節(jié)中125 ℃作為高溫存儲(chǔ)目標(biāo)試驗(yàn)條件，即′=125 ℃，應(yīng)用式(2)計(jì)算得：

(1)23 ℃對(duì)應(yīng)的加速系數(shù)

(2)60 ℃對(duì)應(yīng)的加速系數(shù)

(3)100 ℃對(duì)應(yīng)的加速系數(shù)

(4)105 ℃對(duì)應(yīng)的加速系數(shù)

隨后，將表1中的數(shù)據(jù)和各加速系數(shù)代入式(3)可確定125 ℃下的試驗(yàn)時(shí)間為：

總結(jié)以上計(jì)算過程，應(yīng)用式(2)和式(3)可得高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)條件為125 ℃下存儲(chǔ)725 h可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 溫濕度存儲(chǔ)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)條件

IEC 60068-2-78標(biāo)準(zhǔn)中指出了不同等級(jí)的溫濕度存儲(chǔ)試驗(yàn)條件(表2)，可供選取的試驗(yàn)時(shí)間有12、16、24 h；2、4、10、21、56 d。但多數(shù)整車廠對(duì)于輪速傳感器及其線束的溫濕度等級(jí)要求要高于表2，主要參照IEC 60068-2-67標(biāo)準(zhǔn)中恒定溫濕試驗(yàn)條件，具體的存儲(chǔ)溫度為85 ℃，存儲(chǔ)濕度為85%RH，存儲(chǔ)時(shí)間為168、504、1 000或2 000 h。

表2 溫度與相對(duì)濕度等級(jí)

2.2.2 試驗(yàn)機(jī)制

溫濕度存儲(chǔ)是加速水蒸氣向產(chǎn)品內(nèi)部滲透的過程，其機(jī)制是利用產(chǎn)品內(nèi)部與外界的水蒸氣壓差，使得水蒸氣通過密封相對(duì)較差的邊緣滲透進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部，從而造成電氣電路失效，通常用勞森溫度-濕度模型(Lawson Temperature-Humidity Model)描述這一加速過程；或者利用高溫高濕加速電子電路板上鋁材銹蝕、錫須生長的過程，其機(jī)制是高溫高濕可以加快電子遷移，從而加快金屬銹蝕、晶枝生長、絕緣失效或錫須生長的速度，通常用佩克溫度-濕度模型描述這一加速過程。這兩種加速模型都計(jì)算了高溫和相對(duì)濕度對(duì)產(chǎn)品的影響，勞森溫度-濕度模型的表達(dá)式如下：

(4)

式中:，，含義同阿倫尼斯方程；

為勞森濕度常數(shù)，與材料的吸濕能力相關(guān)；

為相對(duì)濕度。

應(yīng)用式(4)可得勞森溫度-濕度模型下相應(yīng)的溫度、相對(duì)濕度加速到溫度′、相對(duì)濕度′的加速系數(shù)為：

(5)

佩克溫度-濕度模型的表達(dá)式如下：

(6)

式中:為佩克常數(shù);為佩克濕度常數(shù)，取值為-2～-4;式中其余參數(shù)含義同式(4)。

應(yīng)用式(6)可得佩克溫度-濕度模型下相應(yīng)的溫度、相對(duì)濕度加速到溫度′、相對(duì)濕度′的加速系數(shù)為：

(7)

2.2.3 試驗(yàn)條件計(jì)算過程

同樣選取輪速傳感器及其線束為計(jì)算對(duì)象，整車廠的設(shè)計(jì)壽命為10年，要求在平均溫度23 ℃，相對(duì)濕度65%下的等效壽命為79 600 h。

根據(jù)輪速傳感器及其線束的失效模式和影響分析結(jié)果，選取勞森溫度-濕度模型[式(4)和式(5)]進(jìn)行試驗(yàn)條件計(jì)算，式中活化能系數(shù)和勞森濕度常數(shù)的選取依據(jù)整車廠提供的參數(shù)，即=0.4 eV(一般而言，因溫濕度存儲(chǔ)下的失效機(jī)制與高溫存儲(chǔ)不同，此處的活化能系數(shù)與阿倫尼斯的不同)，=5.57×10。當(dāng)目標(biāo)試驗(yàn)條件為存儲(chǔ)溫度85 ℃，相對(duì)濕度85%RH，將上述參數(shù)代入公式(5)中可得23 ℃、65%RH到85 ℃、85%RH的加速系數(shù)：

exp[557×10(85-65)]=80.39。

85 ℃，85%RH下的試驗(yàn)時(shí)間計(jì)算可以參考式(3)得：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合IEC60068-2-67中的試驗(yàn)條件，溫濕度存儲(chǔ)試驗(yàn)條件確定為：85 ℃、85%RH，試驗(yàn)時(shí)間為1 000 h。

2.3 溫度循環(huán)試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)條件

ISO 16750-4中定義了溫度循環(huán)試驗(yàn)條件，如圖1所示，圖中表示通電時(shí)長，表示一個(gè)循環(huán)時(shí)長;最高溫度和最低溫度依產(chǎn)品在車輛上的位置而確定，通過查詢ISO 16750-4中的溫度等級(jí)表可知，輪轂周圍部件的最高溫度=90 ℃，最低溫度=-40 ℃，單個(gè)循環(huán)時(shí)間為480 min，下存儲(chǔ)90 min，下存儲(chǔ)110 min，試驗(yàn)共計(jì)30循環(huán)。然而有些整車廠針對(duì)實(shí)際情況和不同車型，提出了比ISO 16750-4更高的試驗(yàn)要求，最高溫度可達(dá)120、125或130 ℃，有的甚至達(dá)到150 ℃。

圖1 溫度循環(huán)試驗(yàn)條件

2.3.2 試驗(yàn)機(jī)制

溫度循環(huán)是一種交變溫度應(yīng)力，其產(chǎn)生的失效模型不同于恒定溫度造成的。溫度的交變一方面可以釋放產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力，另一方面可使兩種熱膨脹系數(shù)不同的材質(zhì)在溫度交變下因形變不同而產(chǎn)生循環(huán)機(jī)械應(yīng)力，如PCB板和焊點(diǎn)接頭，由此產(chǎn)生機(jī)械疲勞失效。所以，溫度循環(huán)下產(chǎn)品的壽命可用產(chǎn)品到失效所經(jīng)歷的溫度循環(huán)數(shù)來表示，常用科芬-曼森模型來描述這一過程?？品?曼森模型公式如下：

(8)

式中:為產(chǎn)品到失效經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)，即產(chǎn)品壽命；

、為科芬-曼森常量，與材料特性和產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)，通常為正值，有時(shí)也可以是溫度循環(huán)頻率或最高溫度的函數(shù)；

Δ為溫度差，即循環(huán)中最高溫度與最低溫度之間的差值-。

通過式(8)可知，加大溫度變化幅度將縮短產(chǎn)品壽命，即減小循環(huán)次數(shù)，相應(yīng)的溫度變化幅度Δ加速到Δ′時(shí)的加速系數(shù)的表達(dá)式為：

(9)

式中:為溫度變化幅度為Δ時(shí)的壽命；

2.3.3 試驗(yàn)條件計(jì)算

根據(jù)整車廠的實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，文中所述車型輪速傳感器及其線束在一天中最大的溫度變化范圍為40 ℃。雖然每一次小的溫度變化都會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，但依據(jù)企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)可將模型簡(jiǎn)化，只考慮最大溫度變化影響，按照每天發(fā)生兩次最大溫度變化計(jì)算，結(jié)合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命10年，可得到產(chǎn)品的溫度變化幅度Δ=40 ℃時(shí)，循環(huán)次數(shù)為：

=2×365×10=7 500。

在不改變失效機(jī)制的情況下，加速后的目標(biāo)溫度循環(huán)試驗(yàn)條件為=-40 ℃，=125 ℃，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間和各溫度下的存儲(chǔ)時(shí)間參考圖1，企業(yè)推薦的科芬-曼森常數(shù)的值為2，應(yīng)用式(9)計(jì)算加速系數(shù)為：

在此試驗(yàn)條件下，通過式(9)的變化，計(jì)算循環(huán)次數(shù)為：

3 結(jié)論

汽車零部件產(chǎn)品的壽命可通過可靠性試驗(yàn)方法確定，相關(guān)試驗(yàn)條件是根據(jù)設(shè)計(jì)要求、實(shí)際使用工況和壽命公式進(jìn)行計(jì)算得出的。文中研究的環(huán)境試驗(yàn)中高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、溫度濕度存儲(chǔ)試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)可分別利用阿倫尼斯模型、勞森溫度-濕度模型和科芬-曼森模型計(jì)算確定。利用各環(huán)境試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的壽命模型，不僅可以完成文中所述的試驗(yàn)時(shí)間計(jì)算，還可以在不改變失效機(jī)制的前提下根據(jù)時(shí)間要求計(jì)算出所需的試驗(yàn)溫度，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的精準(zhǔn)驗(yàn)證，縮短研發(fā)時(shí)間。文中只利用模型完成了試驗(yàn)時(shí)間的計(jì)算，但計(jì)算模型中的各常量如何確定沒有深入研究，如活化能系數(shù)、勞森濕度常數(shù)、科芬-曼森常數(shù)，希望在后續(xù)研究中通過平行加速試驗(yàn)法確定各模型中的常數(shù)，同時(shí)再將試驗(yàn)與實(shí)車測(cè)試進(jìn)行關(guān)聯(lián)驗(yàn)證，進(jìn)一步證明模型選取的正確性。