瓦 鑫，潘榮榮，吳佳燕，李田三

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

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高加速壽命試驗在外飾車燈中的應(yīng)用

瓦 鑫，潘榮榮，吳佳燕，李田三

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

介紹了高加速壽命試驗HALT(highly accelerated life test)在車燈上的應(yīng)用，重點闡釋燈具的HALT試驗在燈具上的應(yīng)用和燈具在HALT試驗下的失效形式，提出HALT在燈具產(chǎn)品開發(fā)及試驗中的重要性。

高加速壽命試驗；失效；可靠性；外飾車燈

引言

產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠度，體現(xiàn)在隨機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)后所要求具備的性能，以及產(chǎn)品在其設(shè)計使用壽命中保持要求的性能的能力。

驗證產(chǎn)品能滿足質(zhì)量和可靠度的常規(guī)方法有兩類：(1)通過快速驗證試驗，該方法可以確認(rèn)零件滿足其最低標(biāo)準(zhǔn)，卻無法判斷滿足了最低標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品間的差異性，也不知道產(chǎn)品所能達(dá)到的最高極限，確定產(chǎn)品的可靠度需要非常大的樣本量；(2)通過壽命試驗，該方法可以測試產(chǎn)品的設(shè)計壽命，但所執(zhí)行測試的時間將非常長。因此，綜合了兩種特性的高加速壽命試驗(Highly Accelerated Life Test)方法通過達(dá)到或遠(yuǎn)大于設(shè)計定義的極限應(yīng)力條件，用步進(jìn)應(yīng)力逐漸找出產(chǎn)品的工作極限甚至破壞極限，打破了這兩個特定方法的局限性。

1 概述

外飾車燈是汽車的眼睛，裝飾和點亮安全是兩個主要的功能，因此外觀和功能是通過試驗檢查和測試的兩個主要方向和目的。隨著車的造型要求越來越高，燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)也是趨于復(fù)雜，且因造型限制或復(fù)雜的技術(shù)集成，對燈具的結(jié)構(gòu)布置要求越來越高。同時車燈行業(yè)高度的集中化，開發(fā)的周期也較長。如果沒有完善的燈具開發(fā)計劃，不僅會對項目進(jìn)度造成延遲，同時還會帶來較高的成本投入。因此，通過試驗認(rèn)證手段及時的發(fā)現(xiàn)燈具的問題就顯得比較重要。

試驗認(rèn)證的流程一般如圖1所示，通過在常規(guī)設(shè)計的試驗(圖1常規(guī)試驗流程)基礎(chǔ)上增加加速壽命試驗(圖1加速試驗流程)可以快速以放大方式發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在缺陷，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的裕度和生產(chǎn)制造的影響，這些涉及到失效產(chǎn)品設(shè)計、工藝、結(jié)構(gòu)等方面的信息將成為產(chǎn)品的改進(jìn)依據(jù)，作為提高產(chǎn)品的極限值，及可靠性的信息有效來源。試驗者或設(shè)計者所擔(dān)負(fù)著從失效的模式找到失效的根本原因的重要責(zé)任。

圖1 試驗認(rèn)證流程圖Fig.1 Validation Process

以復(fù)雜設(shè)計的前照燈為例，燈具的組成為機(jī)械構(gòu)造和電子電路，主要由燈體、光源、反射鏡、配光鏡、飾圈等主要部分組成。產(chǎn)品在使用過程中，所遭遇的環(huán)境種類繁多。如振動、沖擊、溫度、濕度、老化等，因為環(huán)境應(yīng)力達(dá)到或超過產(chǎn)品耐環(huán)境應(yīng)力的能力，使產(chǎn)品耐環(huán)境應(yīng)力低的部分失效。

高加速壽命試驗HALT在燈具中的應(yīng)用可以實現(xiàn)快速找到設(shè)計的破壞極限范圍，縮短產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和上市周期，即縮減研發(fā)時間和成本。其寬闊的測試裕度可以包括對產(chǎn)品性能影響的強(qiáng)相關(guān)和弱相關(guān)的因子，對提高產(chǎn)品可靠性提供了依據(jù)，也是對產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)評定的工具。

2 HALT試驗在燈具上的應(yīng)用

2.1 HALT試驗參數(shù)的設(shè)定

2.1.1 燈具失效影響因素分析

除去設(shè)計的影響，燈的失效主要受影響于熱量和機(jī)械強(qiáng)度兩方面：

(1)熱量：主要來源于內(nèi)部點燈產(chǎn)生的熱量及外界環(huán)境溫度的影響；產(chǎn)生五彩或燒融等失效。

(2)機(jī)械強(qiáng)度：主要受影響于結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料特性，產(chǎn)生如出粉，結(jié)構(gòu)斷裂失效。

(3)綜合影響：溫度改變材料特性，機(jī)械強(qiáng)度激發(fā)材料特性的失效。

2.1.2 溫度參數(shù)設(shè)定

溫度的極限閾值在試驗中的設(shè)定基于燈具的安裝環(huán)境和使用條件，同時在HALT試驗中，為充分考慮到潛在的失效，燈具使用材料的溫度特性也應(yīng)當(dāng)作為一個較重要的參考因子。

(1)溫度參數(shù)上限的設(shè)定

前照燈工作的高溫環(huán)境主要受到附近發(fā)動機(jī)艙溫度的影響，其環(huán)境溫度的影響在車輛高速，加速，怠速等各種工況條件又有所差別，通過實車測量得出影響如圖2曲線所示，燈具周邊在發(fā)動機(jī)怠速情況下溫度影響時間最大，在怠速的時候溫度最高，并且最高溫度值在100℃附近。

圖2 發(fā)動機(jī)艙溫度測量圖Fig.2 Temperature of Engine Compartment

在長時間怠速試驗工況下前艙(發(fā)動機(jī)前置)溫度測量如圖3所示，所圈出的兩個區(qū)域表明了前艙溫度的最高溫度和較穩(wěn)定的值。同時CAE分析表明，該測量值與理論值基本一致，如圖4所示。

圖3 怠速條件下前艙大燈區(qū)域溫度測量Fig.3 Temperature of headlamp in engine compartment at idle condition

圖4 室溫條件下前艙大燈區(qū)域溫度模擬Fig.4 Temperature simulation of engine compartment in room temperature condition

為進(jìn)一步摸索溫度的閾值，有必要研究燈具在不同溫度環(huán)境條件下所產(chǎn)生的熱量差異，怠速條件盡管艙內(nèi)溫度較高，但通常情況下車輛在行駛過程中才是發(fā)揮燈具功能的時刻，因此，盡管已知最高閾值前提下，仍需通過試驗測定和理論分析掌握燈具的合理溫度條件。因此，在前期多項分析測試的前提下，設(shè)定環(huán)境溫度50℃條件下測試燈具表面的高溫區(qū)域，即車燈全開狀態(tài)下燈座在燈體表面的溫度。模擬值和測試值如圖5～圖7所示。

圖5 50℃條件下某前大燈溫度模擬Fig.5 Temperature simulation of Headlamp in 50℃ condtion

圖6 某前大燈溫度測量點Fig.6 Temperature measurement point of headlamp

圖7 50℃室溫條件下某前大燈溫度測量值Fig.7 Temperature measurement of Headlamp in 50℃ condition

試驗的溫度應(yīng)超過或接近燈具材料的熱變形溫度，以激發(fā)產(chǎn)品所可能存在的缺陷和影響，從表1常用材料的熱變形溫度的統(tǒng)計值中，可見產(chǎn)品的溫度區(qū)間為70℃～162℃，因此通常條件下， 50℃為滿足試驗最基本要求的高溫值，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的溫度即100℃，為最高溫度閾值。

表1 燈具常用材料熱變形溫度Table 1 The Heat Deflection Temperature of raw material for exterior lighting

(2)溫度參數(shù)下限的設(shè)定

我國現(xiàn)有氣象資料中的極端最低氣溫記錄-52.3℃[5-6]來自黑龍江省漠河氣象站。從現(xiàn)有的氣溫統(tǒng)計數(shù)據(jù)[7]顯示，北方漠河的日平均最低溫度在一月，為-36℃；以一月歷史數(shù)據(jù)看，最低溫度在-50℃。另一方面，從一般車輛的使用角度而言，-40℃已是規(guī)定允許客戶使用的最低溫度。故最低溫度的閾值可以定義為-50℃(圖8～圖9)。

圖8 漠河日均最低氣溫圖[7]Fig.8 Daily Minimum Mean Temperature in Mohe City [7]

圖9 漠河一月極限最低溫度值[7]Fig.9 The Lowest Temperature of Mohe City in Januay in History[7]

(3)振動參數(shù)的設(shè)定

理論上來說，振動的最大閾值應(yīng)是沒有特定的輸入，試驗應(yīng)進(jìn)行至零件損壞為止。為有效的認(rèn)識產(chǎn)品，有必要對振動的最小極限閾值進(jìn)行研究，來源主要取決于地面的輸入。振動和沖擊是主要的影響方式，不同的車型、不同的燈具安裝方法和結(jié)構(gòu)形式，地面對燈具所產(chǎn)生的輸入也不一樣。

通過地面影響的疲勞載荷可以按照大小分為若干等級，循環(huán)載荷可以用雨流矩陣來描述，通過對應(yīng)的疲勞損傷矩陣，可以得到零件在疲勞載荷作用下的總損傷。

圖10 燈具在裝車狀態(tài)粗糙路沖擊最大能量Fig.10 The Max Impact Energy for Exterior Lighting in Rough Road

整車裝載質(zhì)量條件下，對車燈具安裝位置對粗糙路面的響應(yīng)采集路譜處理，在燈具的安裝點位置最大的實測沖擊能量能達(dá)到的閾值為20g，如圖10所示。故最小閾值取為20g。

2.2 HALT試驗結(jié)果的分析

依據(jù)以上燈具使用環(huán)境、材料特性等情況所定義的試驗極限溫度和極限振動加速度，通過溫度步進(jìn)、快速溫度交變、振動加速度步進(jìn)、組合環(huán)境四個試驗步驟進(jìn)行考核。

(1)溫度對材料特性的影響

①材料的機(jī)械特性，如拉伸強(qiáng)度等將會受到溫度的影響。材料在高溫下能變得易延展，在低溫下又易碎。在振動過程中零件與零件的連接位置可能受到損壞。故振動的影響要在整個溫度變化的環(huán)境下考核。

②溫度超過材料極限時，導(dǎo)致碎裂、延展、熔融，影響塑料材料如燈體、配光鏡、反射鏡等的彈性(圖11)。

圖11 溫度條件下反射器燒融失效Fig.11 Deformation of Reflector in High Temperature Condition

③不同材料有不同的溫度膨脹系數(shù)，在這種條件下，溫度循環(huán)產(chǎn)生循環(huán)的應(yīng)力，最終造成溫度疲勞(圖12)。

圖12 溫度疲勞條件下配光鏡變形失效Fig.12 Deformation of Lens in Temperature Fatigue Condition

④當(dāng)溫度變化時，材料有不同的收縮和擴(kuò)展，如果它們互相連接或接觸，相加的應(yīng)力在零件的連接上就表現(xiàn)為斷裂(見圖13)。

⑤尺寸的變化產(chǎn)生剪切力、拉伸力和壓應(yīng)力導(dǎo)致零件在溫度循環(huán)中的疲勞失效，如結(jié)構(gòu)斷裂、焊點斷裂或分層等。

圖13 溫度變動條件下控制模塊殼體斷裂Fig.13 Broken of Module Housing in Temperature Vibration Condition

(2)振動對材料和結(jié)構(gòu)的影響

機(jī)械疲勞一般出現(xiàn)在零件過長周期的隨機(jī)振動中。累計的振動可能超過零件材料的極限，造成零件內(nèi)部的機(jī)械疲勞和形變。機(jī)械疲勞累積的振動能使部件因為焊點、零件、接觸點的裂紋而產(chǎn)生失效。內(nèi)部的連接可能松動，同時內(nèi)部的零件也可能因為振動產(chǎn)生的振幅而碰撞，導(dǎo)致燈體內(nèi)面的部件彎曲或變形，導(dǎo)致可能引起的故障(見圖14)。

失效的常見可能形式有：①反射鏡松動，磨損；②飾圈斷裂，磨損；③內(nèi)配光鏡松動，磨損；④外配光鏡破損；⑤燈具內(nèi)部電路板斷裂，功能失效；⑥焊點失效；⑦密封性能失效；⑧溫度影響造成的失效；⑨線束的斷裂或磨損。

圖14 振動條件下燈體的磨損失效Fig.14 Abrasion of Housing in Vibration Condition

(3)蠕變對材料和結(jié)構(gòu)影響

在保持應(yīng)力不變的情況下，產(chǎn)品材料應(yīng)變隨時間延長而增加，造成永久變形。由材料的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的蠕變，在由環(huán)境溫度和自身產(chǎn)生熱量的高溫環(huán)境下會被加速。

溫度過應(yīng)力、溫度疲勞或蠕變，都可能導(dǎo)致零件間的配合安裝在使用壽命前變形或損壞，從而導(dǎo)致功能的失效。同時熱量和振動都可能對燈具電子模塊產(chǎn)生功能失效的風(fēng)險。

2.3 HALT試驗的應(yīng)用結(jié)果分析

表2為某前照燈的HALT試驗與常規(guī)試驗的結(jié)果對比，常規(guī)試驗是來自某標(biāo)準(zhǔn)的要求。從試驗結(jié)果可以看出， HALT試驗可以發(fā)現(xiàn)振動試驗的失效內(nèi)容，也能探測一些振動試驗不能發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容。試驗表明，HALT試驗的過程和結(jié)果對燈具設(shè)計及提高燈具可靠性有很好的指導(dǎo)性。

表2 某燈具HALT試驗與常規(guī)試驗結(jié)果對比Table 2 HALT test result VS Regular test result

3 結(jié)束語

HALT試驗在產(chǎn)品試驗中通過設(shè)定所施加的環(huán)境應(yīng)力為關(guān)鍵要素，以激發(fā)而非模擬的形式使?jié)撛谑г谠囼炦^程中顯現(xiàn)，試驗結(jié)果表明受試品在短時間高應(yīng)力作用下表現(xiàn)出的特性與產(chǎn)品在長時間低應(yīng)力作用下表現(xiàn)出來的特性是一致的。結(jié)果同時表明，通過制定合理的應(yīng)力裕度，可以使試驗的結(jié)果更加符合產(chǎn)品的真實使用和實際要求。

因此，將常用于電子產(chǎn)品的HALT應(yīng)用在燈具開發(fā)過程中，對發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計和工藝缺陷、加速產(chǎn)品的成熟設(shè)計、提高產(chǎn)品可靠性是行之有效的。

[1] 張先文. 高加速壽命試驗和高加速應(yīng)力篩選技術(shù)綜述[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試,2009(6):66-69.

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[4] 林震，張愛民,沈朝暉，等.談?wù)勲娮赢a(chǎn)品的高加速壽命試驗[J].環(huán)境技術(shù),2002(4):5-9.

[5] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BC%A0%E6%B2%B3%E5%8E%BF.

[6] http://www.dxal.hl.cn/zjxa/ShowArticle.asp?ArticleID=27.

[7] http://www.tianqi.com/qiwen/city_mohe/.

The Application of HALT Test in Exterior Lighting of Vehicle

Wa Xin,Pan Rongrong,Wu Jiayan,Li Tiansan

(PanAsiaTechnicalAutomotiveCenter,Shanghai201201,China)

This paper briefly introduces the concept of development and application of HALT test, deeply analyzes the application in exterior lighting in vehicle and the failure mode of exterior lighting in HALT test. It’s to show the importation of HALT test in exterior lighting development and validation.

highly accelerated life test(HALT); failure; reliability; exterior lighting

U467.3

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.026