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,其可靠性對整個電器系統(tǒng)能否正常工作影響很大。由于路面激勵和發(fā)動機(jī)振動這兩大激勵源的存在,使得汽車電器長期工作在劇烈的振動和沖擊之下,這些因素對汽車電器的可靠性有很大影響。資料統(tǒng)計表明:在汽車運(yùn)行過程中,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[1]。在試驗室內(nèi)對車輛及其零部件進(jìn)行道路模擬振動試驗,有效率高、費(fèi)用小等優(yōu)點,被認(rèn)為是加速產(chǎn)品開發(fā)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段[2]。

汽車電連接器振動可靠性室內(nèi)試驗的方法是,將被試系統(tǒng)(汽車線束及電器系統(tǒng))移植到試驗臺上,在試驗輔助系統(tǒng)如電源、信號模擬器等設(shè)備的支持下,使被試系統(tǒng)可按實際工作狀態(tài)工作。試驗臺的激勵信號采用的是實車路譜信號,利用時域復(fù)現(xiàn)技術(shù)實現(xiàn)道路振動的模擬,相對于國標(biāo)中規(guī)定的汽車電器正弦或隨機(jī)振動試驗方法,采用實車路譜能夠很好地再現(xiàn)汽車電連接器的實際工況。電連接器在試驗中同時承受電應(yīng)力和振動應(yīng)力的作用,使試驗工況與實際更為接近。

對于實車路譜信號的規(guī)范,汽車電連接器振動可靠性的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定。因此,不能用一般的正弦或隨機(jī)振動試驗評價方法對試驗結(jié)果進(jìn)行評價,而且試驗的強(qiáng)化時間無法確定。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)量評價標(biāo)準(zhǔn)中的故障里程對試驗結(jié)果進(jìn)行評價。

1 電連接器振動可靠性模型

在振動應(yīng)力作用下,電連接器插針、插孔之間會產(chǎn)生一定的相對運(yùn)動,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運(yùn)動幅度很小,伴隨著產(chǎn)生的摩擦腐蝕屬于微動磨損。持續(xù)的微動磨損會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約20nm時,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

汽車電連接器在實際行駛過程中和在臺架上試驗時,受到隨機(jī)沖擊載荷的作用?？梢哉J(rèn)為汽車電連接器受到 σ1,σ2,…,σn個不同水平的應(yīng)力作用 ;τ1,τ2,…,τn為對應(yīng)的載荷幅值 ;各級應(yīng)力水平下的壽命分別是N1,N2,…,Nn;而各級應(yīng)力水平下的實際循環(huán)數(shù)為n1,n2,…,nn。其Miner線性累積損傷示意圖[5]見圖2。

應(yīng)力級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間無關(guān);③在試樣受載過程中,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,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對應(yīng)的疲勞壽命。

對式(3)兩邊取對數(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,在對稱循環(huán)下的試驗結(jié)果求平均值繪制得來的。對于實際的汽車電連接器,若直接按Miner的線性累積損傷理論對零件的疲勞壽命進(jìn)行估計還不夠精確,需要對其進(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,受微動磨損的材料,107次振動對于包括很少發(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為各級載荷總循環(huán)次數(shù);n′i為第i級載荷在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時試件就會發(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為載荷譜測定里程;n0為測定里程內(nèi)的載荷總循環(huán)數(shù)。

采集到的路譜信號要進(jìn)行處理后才能用于振動臺的激勵信號。載荷譜測定里程L0由下面的公式得到:

式中,v0為數(shù)據(jù)采集時的車速;t0為路譜信號處理后的時長。

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間。

3 強(qiáng)化系數(shù)的計算

汽車電連接器振動可靠性室內(nèi)試驗系統(tǒng)由振動系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)三個部分組成。該系統(tǒng)通過采集實車路譜信號作為振動臺激勵信號,采用時域復(fù)現(xiàn)技術(shù)來實現(xiàn)道路振動的模擬。但是在汽車試驗場采集的強(qiáng)化路面的路譜信號,不能直接作為振動臺的激勵信號,要先對信號進(jìn)行編輯和數(shù)據(jù)處理,將幅值較小或突變很大的信號部分除去,得到汽車在各種路面上行駛時的特征加速度時域信號及其功率譜密度,再用于振動臺的控制。試驗中采用自主開發(fā)的在線監(jiān)控設(shè)備,對試驗過程進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)有電連接器滿足失效標(biāo)準(zhǔn)時,停止試驗并記錄試驗的振動次數(shù)。

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

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)原理

試驗的監(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)通過路由器組成局域網(wǎng)實現(xiàn)主控制器與各測量儀器間的通信和數(shù)據(jù)交換;軟件系統(tǒng)采用LabWindows/CVI作為開發(fā)平臺,主要功能包括監(jiān)測儀器控制與通信、監(jiān)測物理量的界面顯示、監(jiān)測對象故障狀態(tài)報警及診斷、測試數(shù)據(jù)存儲四個方面的內(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

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

表1 試件破壞時的循環(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)改為雙對數(shù)坐標(biāo)系,利用線性回歸方法,得到微動磨損的疲勞方程:

式中,b為常數(shù)。

對比式(4)、式(14),可得疲勞指數(shù) m=1.64。

3.3 路譜信號雨流統(tǒng)計方法

試驗臺實際的激勵信號通過各段強(qiáng)化路譜信號的組合和多次循環(huán)得到。對路譜信號進(jìn)行處理后,用雨流法統(tǒng)計時域中的應(yīng)力次數(shù)和幅值。本文將幅值等分為25個等級進(jìn)行統(tǒng)計,表2為組合強(qiáng)化路譜信號循環(huán)一次的統(tǒng)計結(jié)果,圖5為路譜信號與幅值雨流統(tǒng)計直方圖。

表2 幅值雨流統(tǒng)計結(jié)果

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

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

表3 計算結(jié)果

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

比較上述強(qiáng)化系數(shù)與汽車試驗場的強(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與實際情況有差距;②對路譜信號進(jìn)行了糾奇點等處理,改變了路譜信號的原始特征;③信號不能得到完全的復(fù)現(xiàn)。雖然上述原因使得室內(nèi)道路模擬試驗難以完全地再現(xiàn)原貌,但仍可以認(rèn)為通過計算得到的強(qiáng)化系數(shù)與汽車試驗場道路強(qiáng)化系數(shù)較接近。

3.4 強(qiáng)化時間的確定

該項目的研究對象為某輕型卡車,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)化試驗的定義,可得

式中,t為強(qiáng)化時間。

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)試驗故障時間。

代入具體數(shù)據(jù)求得強(qiáng)化試驗時間t=66.06h。將故障時間換算成故障里程,根據(jù)故障里程可對試驗結(jié)果進(jìn)行評價。

4 結(jié)論

(1)由于對路譜信號進(jìn)行了處理以及復(fù)現(xiàn)誤差的存在,使得該室內(nèi)試驗的強(qiáng)化系數(shù)與汽車試驗場道路的強(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,對通過計算得到的強(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)量評價方法,解決了采用實車路譜時域復(fù)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)強(qiáng)化試驗時,試驗結(jié)果無法評價、試驗持續(xù)時間不能確定的難題。

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