張國(guó)英，王毅

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610；2.廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣東　廣州　510656）

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外飾車(chē)燈高加速壽命試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用分析

張國(guó)英1，王毅2

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610；2.廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣東廣州510656）

摘要：對(duì)高加速壽命試驗(yàn)技術(shù)在外飾車(chē)燈中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。首先，介紹了高加速壽命試驗(yàn)（HALT）的基本原理和一般步驟；然后，對(duì)某公司生產(chǎn)的前照燈進(jìn)行了HALT，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析；最后，根據(jù)受試產(chǎn)品的實(shí)際情況對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)，從而為外飾車(chē)燈及類(lèi)似產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)制定和質(zhì)量控制提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：高加速壽命試驗(yàn)；外飾車(chē)燈；試驗(yàn)方案優(yōu)化

0　引言

汽車(chē)車(chē)燈是汽車(chē)外飾件的重要組成部分，主要具有照明和裝飾兩個(gè)功能，所以外觀和功能的測(cè)試和檢查是汽車(chē)車(chē)燈測(cè)試中的主要項(xiàng)目。在對(duì)汽車(chē)造型要求越來(lái)越高的今天，車(chē)燈扮演著汽車(chē)“眼睛”的角色，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，并且由于造型上的限制和對(duì)復(fù)雜技術(shù)的集成，車(chē)燈的結(jié)構(gòu)布置所需要的技術(shù)也變得越來(lái)越高。如何縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本的投入，是目前各個(gè)燈具廠家關(guān)心的問(wèn)題[1]。本文介紹了如何通過(guò)高加速壽命試驗(yàn)來(lái)及時(shí)地發(fā)現(xiàn)燈具的問(wèn)題所在的方法。

以具有復(fù)雜設(shè)計(jì)的前照燈為例，其組成部分為機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子電路，其中包括：燈體、光源、反射鏡、配光鏡和飾圈等。在實(shí)際使用的過(guò)程中，車(chē)燈會(huì)遭遇各種類(lèi)型的環(huán)境應(yīng)力，主要包括振動(dòng)、沖擊、溫濕度和光老化等。

將高加速壽命試驗(yàn)（HALT）應(yīng)用在車(chē)燈的開(kāi)發(fā)中，能夠使研發(fā)者迅速地找到產(chǎn)品的破壞極限，從而縮短產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和上市周期，節(jié)省研發(fā)成本。此外，HALT寬闊的測(cè)試裕度可以篩查出影響產(chǎn)品性能的強(qiáng)相關(guān)和弱相關(guān)因子，為產(chǎn)品的可靠性的判定提供依據(jù)，同時(shí)也是產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)的評(píng)定工具。

1　HALT的基本原理

1.1HALT的技術(shù)特點(diǎn)

HALT一詞是Gregg K. Hobbs等人于20世紀(jì)80年代末首先提出的，它主要用來(lái)尋找產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中存在的薄弱環(huán)節(jié)[2]。其手段是：首先，采用溫度步進(jìn)、快速溫變循環(huán)、高機(jī)械應(yīng)力和溫度-機(jī)械綜合等方式向產(chǎn)品施加各種嚴(yán)酷度等級(jí)不一的環(huán)境應(yīng)力，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行連續(xù)的檢測(cè)，快速地將產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)缺陷誘發(fā)為故障，這些故障主要包括機(jī)械疲勞損壞、磨損、電子遷移和化學(xué)反應(yīng)等；隨后，通過(guò)技術(shù)手段對(duì)故障加以定位；最后，采取相應(yīng)的措施加以改正和驗(yàn)證[3]。

在由許多類(lèi)型的應(yīng)力所引起的故障失效中，加速因子和應(yīng)力并不是成等比例地增加的，大部分情況下是成指數(shù)級(jí)增加的，即提高應(yīng)力能加速產(chǎn)品失效，而產(chǎn)品最基本的失效模式是由溫度、溫度循環(huán)和振動(dòng)等應(yīng)力所引起的機(jī)械疲勞損傷，它們之間的關(guān)系如下：

式（1）中：D——累積的疲勞損傷；

N——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；

σ——機(jī)械應(yīng)力，即單位面積的作用力（由熱膨脹、靜載荷、振動(dòng)或其他作用引起的）；

β——疲勞試驗(yàn)確定的材料常數(shù)，其數(shù)值可通過(guò)查表得出，變化范圍為8～12。

S.A.Smithson給出了不同溫變速率下的篩選效果。在溫變速率為5℃/min的條件下進(jìn)行400次 66 min/次的溫度循環(huán)所需要的篩選時(shí)間為440 h，而在溫變速率為40℃/min的條件下進(jìn)行1次8 min/次的溫度循環(huán)所需要的時(shí)間為0.1 h，隨后通過(guò)評(píng)估發(fā)現(xiàn)，兩者的效果是相當(dāng)?shù)模罢咚ㄙM(fèi)的時(shí)間卻為后者的4 400倍[4]。從以上例子可以看出，篩選應(yīng)力越高，其使產(chǎn)品出現(xiàn)疲勞和破壞的速度就越快。其中，又因?yàn)橛腥毕莸牟课辉诟邞?yīng)力的作用下所承受的應(yīng)力比無(wú)缺陷的部位要大得多，這就會(huì)使產(chǎn)品內(nèi)有缺陷的元器件與無(wú)缺陷的元器件在相同的應(yīng)力下產(chǎn)生不同程度的壽命疲勞，進(jìn)而使有缺陷的部位迅速地暴露出來(lái)，同時(shí)還可以降低對(duì)無(wú)缺陷部位的傷害。

1.2外飾車(chē)燈HALT的一般程序

基于外飾車(chē)燈本身的特點(diǎn)，針對(duì)外飾車(chē)燈的高加速壽命試驗(yàn)過(guò)程一般包括高低溫步進(jìn)、溫度速變循環(huán)、振動(dòng)量級(jí)步進(jìn)和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)4個(gè)步驟[5]。在準(zhǔn)備工作中，首先，需要獲得燈具常用材料熱變形溫度的極限信息，根據(jù)熱變形極限信息來(lái)確定溫度環(huán)境的應(yīng)力水平；然后，由振動(dòng)量級(jí)步進(jìn)所確定的振動(dòng)極限信息和熱變形極限來(lái)確定綜合試驗(yàn)的應(yīng)力水平。除了環(huán)境應(yīng)力之外，還需施加其他應(yīng)力，例如：電源通斷循環(huán)、極限電壓等電應(yīng)力和其他可以加快暴露設(shè)計(jì)或過(guò)程缺陷的應(yīng)力。

1.3外飾車(chē)燈在HALT條件下的失效類(lèi)型

外飾車(chē)燈在溫度和振動(dòng)條件下，典型的失效類(lèi)型有以下幾種：反射鏡鍍鋁脫落，反射鏡燒熔變形，反射鏡松動(dòng)、磨損；飾圈發(fā)霧，飾圈斷裂、磨損，配光鏡燒熔，配光鏡和燈體分離，配光鏡和飾圈出粉，內(nèi)配光鏡松動(dòng)、磨損，外配光鏡破損；燈具內(nèi)部電路板斷裂、功能失效，焊點(diǎn)失效，密封性能失效，線束斷裂或磨損；調(diào)光結(jié)構(gòu)松動(dòng)，透鏡支架松動(dòng)，電子模塊斷裂和電容脫落等。

2　HALT在車(chē)燈上的應(yīng)用

2.1HALT試驗(yàn)分析

本試驗(yàn)通過(guò)施加溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力，使產(chǎn)品迅速地暴露出設(shè)計(jì)或過(guò)程缺陷。HALT試驗(yàn)只適用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的外飾車(chē)燈，例如：前照燈、前霧燈和尾燈等。汽車(chē)所處的真實(shí)環(huán)境是由溫度、濕度和振動(dòng)等多重應(yīng)力相互疊加而成的，不過(guò)，由于設(shè)備能力的原因，濕度和溫度不可同時(shí)控制；并且，由于濕度在短時(shí)間內(nèi)引起失效的能力遠(yuǎn)小于溫度和振動(dòng)，因此，我們選取溫度和振動(dòng)作為HALT試驗(yàn)的施加應(yīng)力。

2.2試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用美國(guó)QualMark公司生產(chǎn)的HALT箱作為試驗(yàn)設(shè)備，其外貌圖如圖1所示。其型號(hào)為T(mén)YPHOON 3.0，振動(dòng)方式為三軸向六自由度，振動(dòng)變化范圍為0～70 Grms，振動(dòng)頻率范圍為10～5 000 Hz，溫度變化范圍為-100～+200℃，溫變速率為100℃/min，振動(dòng)臺(tái)面的尺寸為914 mm× 914 mm，可以支撐最重為408 kg的產(chǎn)品和夾具，在低頻范圍內(nèi)傳遞較高的振動(dòng)能量，激發(fā)大型產(chǎn)品潛在的缺陷。

圖1　一種HALT測(cè)試設(shè)備

2.3試驗(yàn)方案

前照燈為外飾車(chē)燈中集成程度最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的產(chǎn)品，選取前照燈作為被測(cè)樣品，具有廣泛的代表性，考慮前照燈為自身發(fā)熱件，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度為100℃，同時(shí)考慮到為了最大限度地激發(fā)設(shè)計(jì)缺陷，將前照燈的溫度范圍設(shè)定為-100～120℃，溫變速率為40℃/min，振動(dòng)上限設(shè)為50 Grms，詳細(xì)的試驗(yàn)方案如表1所示，得到的試驗(yàn)曲線如圖2-5所示。

圖2　高低溫步進(jìn)試驗(yàn)曲線

表1　前照燈的HALT試驗(yàn)方案

圖3　快速溫變循環(huán)試驗(yàn)曲線

圖4　振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)曲線

圖5　振動(dòng)/溫度綜合試驗(yàn)曲線

2.4試驗(yàn)結(jié)果及優(yōu)化

按照2.3節(jié)的試驗(yàn)步驟，總結(jié)了一些典型的故障模式，詳細(xì)情況如表2所示。

表2　外飾車(chē)燈在HALT試驗(yàn)條件下典型故障統(tǒng)計(jì)

在HALT的溫度試驗(yàn)中，樣品能夠得到充分的驗(yàn)證。但是，振動(dòng)試驗(yàn)是通過(guò)多個(gè)氣錘進(jìn)行三軸六向反復(fù)地打擊而實(shí)現(xiàn)的，這種方式的振動(dòng)所產(chǎn)生的激勵(lì)低頻能量不足，頻譜不可控，并非是真正意義上的隨機(jī)振動(dòng)，因而筆者對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)部分進(jìn)行了改進(jìn)。使用電磁振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行正弦掃頻試驗(yàn)或許更能使外飾車(chē)燈中的印制板部分產(chǎn)生最大的形變，優(yōu)化后的試驗(yàn)方案為先做正弦掃頻試驗(yàn)，找到諧振頻率后，再做定頻試驗(yàn)。車(chē)燈其他結(jié)構(gòu)件，可以繼續(xù)使用高加速試驗(yàn)系統(tǒng)所提供的振動(dòng)環(huán)境應(yīng)力來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

為了使HALT順利地進(jìn)行，減少不必要的安全隱患，需要注意以下事項(xiàng)。

a）試驗(yàn)前檢查液氮罐的壓力是否超過(guò)0.5 Mpa，若超過(guò)0.5 Mpa，則打開(kāi)放氣閥；當(dāng)壓力降到0.5 Mpa以下時(shí)才可開(kāi)啟液相閥。

b）當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，禁止開(kāi)啟箱門(mén)。

c）進(jìn)行高量級(jí)振動(dòng)時(shí)，應(yīng)避免直接停機(jī)；在停機(jī)之前，應(yīng)當(dāng)先將振動(dòng)量級(jí)降到5 Grms后再停機(jī)。

d）當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，若此時(shí)是高溫試驗(yàn)，則關(guān)機(jī)前應(yīng)先關(guān)閉液氮罐的出液閥，設(shè)置一個(gè)降溫條件，把管道里殘余的液氮排空；若此時(shí)是低溫試驗(yàn)，則關(guān)機(jī)前應(yīng)先關(guān)閉液氮罐的出液閥，把管道里殘余的液氮排空，設(shè)置一個(gè)升溫條件，升到常溫，再停止設(shè)備。

3　結(jié)束語(yǔ)

首先，本文介紹了HALT的基本原理和一般步驟；然后，對(duì)某公司生產(chǎn)的外飾車(chē)燈產(chǎn)品進(jìn)行了HALT試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了梳理；根據(jù)受試產(chǎn)品的實(shí)際情況對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行了優(yōu)化，完成了一整套外飾車(chē)燈的HALT試驗(yàn)流程。從而為HALT理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了參考，同時(shí)也為外飾車(chē)燈和類(lèi)似產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)制定、質(zhì)量控制提供了一定的指導(dǎo)。

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Application Analysis of Highly Accelerated Life Test Technique in Exterior Light of Vehicle

ZHANG Guo-ting1，WANG Yi2
（1. CEPREI，Guangzhou 510610，China；2. GRGT，Guangzhou 510656，China）

Abstract：The application of highlt accelerated test technique in exterior light of vehicle is analtzed. Firstlt，the basic principle and general procedures of HALT are introduced. And then，taking the automotive lamp produced by a company as the measured sample，the specific application of HALT in exterior light of vehicle is explained，and the test results are analyzed. Finallt，according to the actual situation of the measured product，the test scheme is optimized，and the issues need to be paid attention to are summarized，which provides a reference for the standard establishment and qualitt control of exterior headlight and other similar products.

Key words：HALT；exterior light；test scheme optimization

通信作者：王毅（1988-），男，河南舞陽(yáng)人，廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司助理工程師，碩士，主要從事汽車(chē)電子項(xiàng)目研究工作。

作者簡(jiǎn)介：張國(guó)英（1989-），女，山西忻州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所標(biāo)準(zhǔn)與信息研究中心助理工程師，碩士，主要從事項(xiàng)目研究工作。

收稿日期：2015-11-15

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.005

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 114.37；U 463.65+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5468（2016）02-0022-05