陸建康

(蘇州市職業(yè)大學機電工程學院，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)無法滿足當代汽車行業(yè)的發(fā)展要求。因而，需設(shè)計可靠性試驗，在產(chǎn)品失效機制不變的情況下加速試驗條件，在短時間內(nèi)找出汽車產(chǎn)品在設(shè)計、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)品的可靠性驗證試驗條件照搬企業(yè)標準或者國際標準，對于試驗條件背后的機制不清，造成一定程度的過度驗證成驗證不足。因此文中以汽車零部件常用的環(huán)境試驗條件為例，通過對試驗機制的理論研究，揭示了環(huán)境試驗條件的確定過程，為產(chǎn)品設(shè)計驗證提供理論依據(jù)。

1 汽車零部件環(huán)境試驗概述

ISO 16750-4《電氣和電子裝備的環(huán)境條件和試驗-氣候環(huán)境》標準中針對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)力要求和試驗要求，針對產(chǎn)品安裝位置的不同，要求滿足的環(huán)境試驗等級也不同。在標準中，定義了低溫存儲試驗、高溫存儲試驗、鹽霧試驗、溫度循環(huán)試驗、濕熱試驗等各類環(huán)境試驗的試驗要求、試驗條件和具體實施方法。其中低溫存儲試驗是模擬產(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；高溫存儲試驗是模擬產(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。文中重點對汽車底盤輪轂上輪速傳感器及其線束的高溫存儲試驗、溫濕度存儲試驗、溫度循環(huán)試驗的具體試驗條件、試驗機制及確定過程進行計算研究。

2 常用環(huán)境試驗條件研究

2.1 高溫存儲試驗

2.1.1 試驗條件

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

2.1.2 試驗機制

在道路試驗中可知，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測試工況下，輪轂周圍部件的溫度為80～90 ℃。實際測得溫度明顯低于高溫存儲試驗溫度，高溫存儲試驗條件設(shè)立的依據(jù)就是加速壽命試驗中的溫度應(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，該模型能描述化學反應(yīng)速度、計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?。阿倫尼斯模型公式如下?/p>

(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/℃；

為絕對溫度，單位為K。

假設(shè)產(chǎn)品在溫度下應(yīng)用公式(1)計算得到壽命為，在溫度′下計算得到壽命為′，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)可對實際工作溫度下的壽命與高溫存儲試驗條件下的壽命進行互相轉(zhuǎn)換，如式(3)所示。

(3)

式中：為試驗溫度下的存儲時間，單位為h；

為產(chǎn)品正常工作總時長，單位為h；

p為工作溫度在總工作時間中的占比；

f為工作溫度加速到試驗溫度時的加速系數(shù)。

2.1.3 試驗條件計算過程

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

表1 設(shè)計工作溫度等級及時間比例

因低溫的作用機制與第2.1.2節(jié)中高溫存儲的試驗機制不同，在試驗條件計算中不予考慮。同時依據(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 ℃作為高溫存儲目標試驗條件，即′=125 ℃，應(yīng)用式(2)計算得：

(1)23 ℃對應(yīng)的加速系數(shù)

(2)60 ℃對應(yīng)的加速系數(shù)

(3)100 ℃對應(yīng)的加速系數(shù)

(4)105 ℃對應(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 ℃下的試驗時間為：

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

2.2 溫濕度存儲試驗

2.2.1 試驗條件

IEC 60068-2-78標準中指出了不同等級的溫濕度存儲試驗條件(表2)，可供選取的試驗時間有12、16、24 h；2、4、10、21、56 d。但多數(shù)整車廠對于輪速傳感器及其線束的溫濕度等級要求要高于表2，主要參照IEC 60068-2-67標準中恒定溫濕試驗條件，具體的存儲溫度為85 ℃，存儲濕度為85%RH，存儲時間為168、504、1 000或2 000 h。

表2 溫度與相對濕度等級

2.2.2 試驗機制

溫濕度存儲是加速水蒸氣向產(chǎn)品內(nèi)部滲透的過程，其機制是利用產(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較差的邊緣滲透進產(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算了高溫和相對濕度對產(chǎn)品的影響，勞森溫度-濕度模型的表達式如下：

(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、相對濕度加速到溫度′、相對濕度′的加速系數(shù)為：

(5)

佩克溫度-濕度模型的表達式如下：

(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、相對濕度加速到溫度′、相對濕度′的加速系數(shù)為：

(7)

2.2.3 試驗條件計算過程

同樣選取輪速傳感器及其線束為計算對象，整車廠的設(shè)計壽命為10年，要求在平均溫度23 ℃，相對濕度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)]進行試驗條件計算，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，因溫濕度存儲下的失效機制與高溫存儲不同，此處的活化能系數(shù)與阿倫尼斯的不同)，=5.57×10。當目標試驗條件為存儲溫度85 ℃，相對濕度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下的試驗時間計算可以參考式(3)得：

根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合IEC60068-2-67中的試驗條件，溫濕度存儲試驗條件確定為：85 ℃、85%RH，試驗時間為1 000 h。

2.3 溫度循環(huán)試驗

2.3.1 試驗條件

ISO 16750-4中定義了溫度循環(huán)試驗條件，如圖1所示，圖中表示通電時長，表示一個循環(huán)時長;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中的溫度等級表可知，輪轂周圍部件的最高溫度=90 ℃，最低溫度=-40 ℃，單個循環(huán)時間為480 min，下存儲90 min，下存儲110 min，試驗共計30循環(huán)。然而有些整車廠針對實際情況和不同車型，提出了比ISO 16750-4更高的試驗要求，最高溫度可達120、125或130 ℃，有的甚至達到150 ℃。

圖1 溫度循環(huán)試驗條件

2.3.2 試驗機制

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)機械應(yīng)力，如PCB板和焊點接頭，由此產(chǎn)生機械疲勞失效。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)計有關(guān)，通常為正值，有時也可以是溫度循環(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′時的加速系數(shù)的表達式為：

(9)

式中:為溫度變化幅度為Δ時的壽命；

2.3.3 試驗條件計算

根據(jù)整車廠的實車試驗數(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對產(chǎn)品產(chǎn)生熱機械應(yīng)力，但依據(jù)企業(yè)的經(jīng)驗可將模型簡化，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算，結(jié)合產(chǎn)品的設(shè)計壽命10年，可得到產(chǎn)品的溫度變化幅度Δ=40 ℃時，循環(huán)次數(shù)為：

=2×365×10=7 500。

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

在此試驗條件下，通過式(9)的變化，計算循環(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方法確定，相關(guān)試驗條件是根據(jù)設(shè)計要求、實際使用工況和壽命公式進行計算得出的。文中研究的環(huán)境試驗中高溫存儲試驗、溫度濕度存儲試驗、溫度循環(huán)試驗可分別利用阿倫尼斯模型、勞森溫度-濕度模型和科芬-曼森模型計算確定。利用各環(huán)境試驗對應(yīng)的壽命模型，不僅可以完成文中所述的試驗時間計算，還可以在不改變失效機制的前提下根據(jù)時間要求計算出所需的試驗溫度，從而實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的精準驗證，縮短研發(fā)時間。文中只利用模型完成了試驗時間的計算，但計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法確定各模型中的常數(shù)，同時再將試驗與實車測試進行關(guān)聯(lián)驗證，進一步證明模型選取的正確性。