王嘯

（公安部第一研究所，北京 100048）

車輛外置天線浸水試驗方法及失效分析

王嘯

（公安部第一研究所，北京 100048）

論文主要介紹了一種車輛外置天線的防水設(shè)計思路、24h浸水試驗的方法，以及摸底試驗失敗后的詳細(xì)分析和一系列的查找問題、解決問題的有效方法。

車輛天線；防水設(shè)計；浸水試驗

0 引言

本項目的研究目標(biāo)是設(shè)計并制造出一款適用于車輛頂部安裝的天線系統(tǒng)，以滿足不同車型對外置天線的需求。

1 設(shè)計方案

1.1整體設(shè)計方案

天線的外形采用類似魚鰭天線的流線型設(shè)計，外形美觀的同時最大限度地減少了車輛高速行駛時的風(fēng)阻；天線的底部采用外裙邊式橡膠密封圈設(shè)計，配合鋅合金底板多重溝槽的裝配結(jié)構(gòu)，保證了天線在巡邏車輛頂部安裝后各項嚴(yán)苛的密封性要求。本產(chǎn)品的防護性能指標(biāo)很高，應(yīng)符合DIN 40050-9-1993中IPX9K防塵和防飛濺水的要求，并且要經(jīng)受連續(xù)24h、1m深皂液水浸泡測試，不能有任何滲水現(xiàn)象出現(xiàn)。外置天線的整體效果圖如圖1所示。

圖1　整體效果圖

1.2自身防水設(shè)計方案

如圖2所示，此天線設(shè)備的自身防水設(shè)計由三個環(huán)節(jié)構(gòu)成：頂部O型硅橡膠圈、底部TPS/SBS密封圈、底部O型丁腈橡膠圈。

圖2　天線剖面圖

底部TPS/SBS密封圈上下兩面都有密封溝槽設(shè)計，向上與PC/ASA塑料外殼裝配、向下與鋅合金底座裝配。通過外部6個ST2.5x6的無尾自攻螺釘擰緊后，將其內(nèi)部的頂端O型硅橡膠圈擠壓變形（擠壓量0.8mm），達到頂部和底部同時密封的目的。

PC/ASA塑料外殼螺釘柱與鋅合金底座的接觸面在底部TPS/SBS密封圈上也有密封設(shè)計的體現(xiàn)?？梢哉f此天線設(shè)備的內(nèi)部防水問題由：頂部O型硅橡膠圈和底部TPS/SBS密封圈妥善解決了。

1.3安裝防水設(shè)計方案

此天線設(shè)備是要固定安裝在巡邏車車輛頂部中心偏后方的位置，這就需要對車輛頂部相應(yīng)位置開孔。在車輛頂部開孔就意味著頂部有漏水的風(fēng)險，因此需對開孔的位置進行防水設(shè)計處理。

圖3　安裝防水設(shè)計

本項目的做法是采用O型丁腈橡膠圈在開口處進行裝配密封。將天線設(shè)備的外連接螺栓根部套上O型丁腈橡膠圈，在車輛的內(nèi)頂部用M14x0.75的鎖緊螺母部件將天線設(shè)備擰緊在車頂，橡膠圈經(jīng)過擠壓變形后自然而然的將天線固定孔密封死，從而達到安裝過程中的防水目的。

2 浸水試驗方法

本產(chǎn)品的防護性能指標(biāo)很高，應(yīng)符合DIN 40050-9-1993中IPX9K防塵和防飛濺水的要求，并且要經(jīng)受連續(xù)24h、1m深皂液水浸泡測試，不能有任何滲水現(xiàn)象出現(xiàn)。以下主要介紹浸水試驗方法及過程。

2.1連續(xù)浸水的防護性能指標(biāo)

水深：1m；水溫：+5℃～+15℃；皂液水濃度：0.25%；連續(xù)浸泡時間：24h。天線的外部器件（除去線束）連續(xù)浸泡在水中24h，水中加入一定濃度的肥皂水（肥皂水用于降低水的表面張力，增加試驗難度），水的深度為天線接地面以上1m。

2.2試驗方法

針對浸水試驗要求，筆者設(shè)計了一種實驗環(huán)境：將產(chǎn)品樣機固定在一個鑄鋁防水盒上，然后將其整體放入通過PVC熔焊工藝加工好的1.3m深的PVC桶底部，桶的內(nèi)部根據(jù)試驗情況注入不同深度的水，從而進行苛刻的浸水試驗。

將天線樣機水平固定安裝在已打好安裝孔的鑄鋁防水盒上蓋上，天線線束纏繞放置在防水盒內(nèi)部，將防水盒上蓋與盒體用螺釘擰緊，這樣鑄鋁防水盒就模擬成為密閉的“測試車輛”車廂，天線也就模擬安裝在“測試車輛”的頂部。如圖4所示。之后將“測試車輛”整體水平沉入符合測試規(guī)定的皂液水中，連續(xù)浸泡24h后取出，擦去受試樣品外表面的水汽、水痕，檢查天線樣品內(nèi)部不應(yīng)出現(xiàn)受潮、浸濕和銹蝕跡象。

圖4　模擬“測試車輛”

3 失效分析

在實際的浸水試驗初期，當(dāng)把“測試車輛”整體投入到1m水深的PVC桶底時，靜置片刻，發(fā)現(xiàn)天線設(shè)備的前端有些許微小氣泡以1個每2秒的速度漂到水面上，過一段時間氣泡消失。此現(xiàn)象說明了此試驗過程有滲水的環(huán)節(jié)。撈出“測試車輛”，打開防水盒和外置天線果然發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象明顯，天線內(nèi)部滲入了少量的水。

其滲水點具體出現(xiàn)在什么環(huán)節(jié)、什么位置還需要客觀詳細(xì)的分析，才能得出結(jié)論，加以改進。

由于鑄鋁防水盒在整體試驗前已經(jīng)單獨做過24h浸水試驗，其自身的防水性是可靠有保障的，那么滲水點就發(fā)生在外置天線的自身某個環(huán)節(jié)。然而，要想在1m多深、直徑40cm的PVC桶底的水環(huán)境里準(zhǔn)確查找外置天線的一個或多個滲水點是一件很困難的事。

經(jīng)過仔細(xì)分析，本試驗環(huán)境實際上就是一種氣壓環(huán)境，如何能把此氣壓環(huán)境等效的轉(zhuǎn)化為一便于觀察、便于檢測的試驗環(huán)境是接下來要解決的問題。

1m深的浸水實驗環(huán)境實際是給外置天線以及“測試車輛”施加了一個外部的壓強。

根據(jù)液體壓強公式：P=ρgh；其中：P—液體壓強（Pa）；ρ—液體密度（kg/m3）；g—9.8N/kg；h—液體深度（m）。由此，可計算出1m水深處的壓強為：9.8×103Pa。

再經(jīng)過仔細(xì)分析，此浸水試驗的目的就是為了檢查外置天線的氣密性。因此可以得出這樣的結(jié)論：為了檢查系統(tǒng)的氣密性，對系統(tǒng)施加的外部液體壓強等同于施加相同的內(nèi)部氣體壓強。

有了上述的結(jié)論，就可以把外部的液壓問題等效轉(zhuǎn)化為對外置天線施加一個9.8×103Pa的內(nèi)部氣壓問題，這樣就擺脫了液體深度在試驗中帶來的麻煩，有利于創(chuàng)造一個便于觀察、便于檢測的等效的試驗環(huán)境。

4 解決辦法

針對上述所需要的等效試驗環(huán)境，設(shè)計并制作了一個氣體打壓測試環(huán)境。通過對天線整機的內(nèi)部氣體打壓測試，可以迅速有效的發(fā)現(xiàn)零部件的漏氣漏水現(xiàn)象，從而確定哪個零部件有問題，是設(shè)計問題還是加工問題，并及時有效地加以處理。

以下是實驗環(huán)境及方法。將天線線束和鎖緊螺母部件去掉后，借用一根熱縮管將天線金屬底部的唯一開口螺栓縮緊，同時在熱縮接縫處用AB膠固化密封；熱縮管的另一頭與便攜式腳踏打氣筒的打氣孔密封連接，將此天線放入盛有水的臉盆里，將水沒過天線殼體表面，通過打氣筒給天線內(nèi)部施加一個恒定的氣壓，如果有漏氣點，可以在水中觀察到冒氣泡現(xiàn)象，并且可以近距離的對漏氣點準(zhǔn)確定位。

這一檢測方法與傳統(tǒng)的自行車打氣補胎相似，可以稱之為：“打氣補胎”法，如圖5所示。

圖5　打壓測試環(huán)境

目前市場上的氣壓表顯示單位普遍為BAR和PSI，這里需要進行單位換算。1BAR為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。PSI是英制壓強單位，定義為磅/平方英寸，PSI英文全稱為Pounds per square inch。把所有的單位換成公制單位可以計算出：

1MPa=106Pa≈10bar≈145psi

根據(jù)上述的換算關(guān)系，可以得出1m水深處的壓強：

9.8×103Pa≈1.42 psi

由于數(shù)值1.42psi在氣壓表上的顯示太小，通過腳踏打氣筒不好控制此恒定氣壓，為了便于檢查系統(tǒng)的氣密性，更好的查找漏氣點，又在試驗中刻意加大了給定氣壓值，及通過打氣筒給天線內(nèi)部施加一個恒定的氣壓10psi，這樣也就提高了樣品的測試指標(biāo)。

在10psi的試驗過程中，很明顯的發(fā)現(xiàn)在天線殼體的前端與底部TPS/SBS密封圈的接縫處有大量微小氣泡產(chǎn)生并漂浮于水面上，這樣漏氣點或滲水點很輕松的就找到了。接下來就是拆除殼體與密封圈，在漏氣點的位置查找問題。此時發(fā)現(xiàn)底部TPS/SBS密封圈的相應(yīng)位置有破損現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6　破損漏氣點

測試樣機的所有零部件均為快速成型手板加工，可能在加工過程中注塑機的注塑壓力不夠，導(dǎo)致密封圈的前端膠料進料欠缺，材質(zhì)較為疏松，發(fā)生了局部破損現(xiàn)象。

通過對破損點用防水密封膠修補、晾干，再次進行上述試驗，沒有發(fā)生漏氣現(xiàn)象。至此，對測試外置天線的氣密性排查、修復(fù)工作完成。

針對密封圈的破損現(xiàn)象，向加工廠家提出工藝要求，重新加工密封圈手板件。新的密封圈手板件在之后的測試過程中沒有發(fā)現(xiàn)破損點，滿足了設(shè)計要求。之后給被測外置天線一個持續(xù)的壓強15psi，持續(xù)時間1min，外置天線的氣密性仍然很好，沒有漏氣現(xiàn)象。

通過換算可得：15psi≈103×103Pa；根據(jù)公式：P= ρgh；計算出：h=10.5m。也就是說此外置天線可以經(jīng)受10.5m水深的短期浸泡而不會滲水，因此，1m的水深環(huán)境肯定不會有問題。之后對樣機分別進行了4h、12h、18h、24h皂液水浸水測試，天線設(shè)備均沒有發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。至此，24h浸水摸底試驗通過。

5 總結(jié)

本產(chǎn)品的防護性能指標(biāo)很高，除了上述的24h皂液水浸水試驗，同時還應(yīng)符合DIN 40050-9-1993中IPX9K防塵和防飛濺水的要求。通過對本項目產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計、詳細(xì)分析研究，我對電子產(chǎn)品的防水環(huán)節(jié)設(shè)計以及相應(yīng)的檢測流程、方法有了深刻認(rèn)識，積攢了寶貴的經(jīng)驗。

［1］百度文庫.

［2］黃宗南，洪躍.先進制造技術(shù)［M］.上海交通大學(xué)出版社，2010.

［3］朱張校.工程材料［M］.清華大學(xué)出版社，2001.

圖4　儲油罐周向應(yīng)力隨時間的變化Fig.4 The variation of circumferential stress with time in tank

圖5　儲油罐在徑向方向應(yīng)力隨時間的變化Fig.5 The variation of radial stress with time in tank

根據(jù)前述分析知，剛注滿油時，罐體壁受熱膨脹，使得罐體出現(xiàn)內(nèi)壁受壓、外壁受拉的應(yīng)力狀態(tài)。隨著時間的推移，儲油罐沿壁厚方向溫度分布趨于均勻，各部分間溫度相差不大，故溫度應(yīng)力的分布也應(yīng)趨于均勻，罐體的應(yīng)力狀態(tài)得以改善。

4 結(jié)論

本文通過對地下儲油罐溫度場與應(yīng)力場的耦合分析，得到了溫度應(yīng)力對地下儲油罐的影響。首先，確定了儲油罐的溫度等效應(yīng)力始終為拉應(yīng)力，則在儲油罐的材料選擇，油罐的設(shè)計應(yīng)用方面，應(yīng)特別注意避免拉伸失效；其次，由計算結(jié)果可知溫度應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，就這點來說儲油罐是安全的。

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Water Immersion Test Methods and Failure Analysis of External Antenna on Vehicle

WANG Xiao
（First Research Institute of the Ministry of Public Security of PRC，Beijing 100048，China）

This article describes a waterproof design idea of vehicle external antenna and the test method of 24 hours water immersion.The analysis of test failure，the root causes and the solutions are explained in details.

antenna of vehicle；waterproof design；water immersion test

TH-39

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.011

1002-6673（2015）02-029-03

2015-02-02

王嘯（1980-），男，工程師。主要從事電子產(chǎn)品機電結(jié)構(gòu)設(shè)計。