汽车零部件常用环境试验条件研究

陆建康

(苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州 215104)

0 引言

传统汽车整车及其零部件的寿命分析方法，即在正常工作条件下获得失效的方法，因周期长、难失效等原因，已经无法满足当代汽车行业的发展要求。因而，需设计可靠性试验，在产品失效机制不变的情况下加速试验条件，在短时间内找出汽车产品在设计、原材料、工艺等方面存在的问题，从而加以解决，提高产品可靠性。然而，多数汽车零部件产品的可靠性验证试验条件照搬企业标准或者国际标准，对于试验条件背后的机制不清，造成一定程度的过度验证成验证不足。因此文中以汽车零部件常用的环境试验条件为例，通过对试验机制的理论研究，揭示了环境试验条件的确定过程，为产品设计验证提供理论依据。

1 汽车零部件环境试验概述

ISO 16750-4《电气和电子装备的环境条件和试验-气候环境》标准中针对汽车电气和电子装备、汽车线束、连接器等产品，提出了相应的环境应力要求和试验要求，针对产品安装位置的不同，要求满足的环境试验等级也不同。在标准中，定义了低温存储试验、高温存储试验、盐雾试验、温度循环试验、湿热试验等各类环境试验的试验要求、试验条件和具体实施方法。其中低温存储试验是模拟产品暴露在低温下，产品不能承受霜冻或者因低温造成电气故障等失效；高温存储试验是模拟产品暴露在高温中，材料在高温下老化、变形或造成产品电气故障等失效；盐雾试验是检查产品在冬季或者海边抵御空气中的盐雾或者盐水的能力，探究产品表面因盐雾或盐水造成的腐蚀或因泄漏、渗透造成的电气电路故障等失效模式；温度循环试验是模拟产品在温度变化中自身内应力的释放以及热载荷应力的变化，探究产品在材料或者结构上缺陷而造成材料的破裂、老化或密封失效等失效模式；湿热试验是模拟产品在高湿高热环境下，产品因潮湿或者“呼吸效应”而引起的电气故障。文中重点对汽车底盘轮毂上轮速传感器及其线束的高温存储试验、温湿度存储试验、温度循环试验的具体试验条件、试验机制及确定过程进行计算研究。

2 常用环境试验条件研究

2.1 高温存储试验

2.1.1 试验条件

不同品牌、不同大小的汽车，对于底盘轮毂周围部件的高温存储试验要求有差异，有的要求120 ℃存储500 h，有的要求125 ℃存储250 h，有的要求150 ℃存储100 h等。以某品牌经济型轿车为例，高温存储试验条件为：存储温度125 ℃，存储725 h，产品试验后要求外观、尺寸和功能等正常。

2.1.2 试验机制

在道路试验中可知，环境温度35 ℃正常行驶工况下(包含城市、郊区、高速和山路)，车辆轮毂周围部件的温度为50～60 ℃；在AMS测试工况下，轮毂周围部件的温度为80～90 ℃。实际测得温度明显低于高温存储试验温度，高温存储试验条件设立的依据就是加速寿命试验中的温度应力加速模型，即阿伦尼斯模型。该模型可有效激发恒温度应力下的失效并缩短失效时间。因此阿伦尼斯模型是最常用的温度应力加速模型，该模型能描述化学反应速度、计算材料的老化速度或对象性能受温度直接影响的加速试验。阿伦尼斯模型公式如下：

(1)

式中：为产品在该温度下的名义寿命；

为阿伦尼斯常量，与材料特性相关；

为活化能系数，单位为eV，该系数与失效机制相关，一般而言电子元器件或设备的活化能系数为0.3～1.5 eV;

K为玻尔兹曼常数，K=8.617 1×10eV/℃；

为绝对温度，单位为K。

假设产品在温度下应用公式(1)计算得到寿命为，在温度′下计算得到寿命为′，则与′之间的比值就是不同温度应力下的加速系数，如式(2)所示。

(2)

通过加速系数可对实际工作温度下的寿命与高温存储试验条件下的寿命进行互相转换，如式(3)所示。

(3)

式中：为试验温度下的存储时间，单位为h；

为产品正常工作总时长，单位为h；

p为工作温度在总工作时间中的占比；

f为工作温度加速到试验温度时的加速系数。

2.1.3 试验条件计算过程

选取轮毂周围部件中的轮速传感器及其线束为计算对象，根据整车厂的设计要求，轮速传感器及其线束设计寿命为10年，等效工作时间为8 000 h，在各温度下的工作时间比例见表1。

表1 设计工作温度等级及时间比例

因低温的作用机制与第2.1.2节中高温存储的试验机制不同，在试验条件计算中不予考虑。同时依据轮速传感器及其线束在高温下绝缘性能衰减的失效机制，选取相应的活化能系数=0.45 eV。以第2.1.1节中125 ℃作为高温存储目标试验条件，即′=125 ℃，应用式(2)计算得：

(1)23 ℃对应的加速系数

(2)60 ℃对应的加速系数

(3)100 ℃对应的加速系数

(4)105 ℃对应的加速系数

随后，将表1中的数据和各加速系数代入式(3)可确定125 ℃下的试验时间为：

总结以上计算过程，应用式(2)和式(3)可得高温存储试验条件为125 ℃下存储725 h可满足设计要求。

2.2 温湿度存储试验

2.2.1 试验条件

IEC 60068-2-78标准中指出了不同等级的温湿度存储试验条件(表2)，可供选取的试验时间有12、16、24 h；2、4、10、21、56 d。但多数整车厂对于轮速传感器及其线束的温湿度等级要求要高于表2，主要参照IEC 60068-2-67标准中恒定温湿试验条件，具体的存储温度为85 ℃，存储湿度为85%RH，存储时间为168、504、1 000或2 000 h。

表2 温度与相对湿度等级

2.2.2 试验机制

温湿度存储是加速水蒸气向产品内部渗透的过程，其机制是利用产品内部与外界的水蒸气压差，使得水蒸气通过密封相对较差的边缘渗透进产品内部，从而造成电气电路失效，通常用劳森温度-湿度模型(Lawson Temperature-Humidity Model)描述这一加速过程；或者利用高温高湿加速电子电路板上铝材锈蚀、锡须生长的过程，其机制是高温高湿可以加快电子迁移，从而加快金属锈蚀、晶枝生长、绝缘失效或锡须生长的速度，通常用佩克温度-湿度模型描述这一加速过程。这两种加速模型都计算了高温和相对湿度对产品的影响，劳森温度-湿度模型的表达式如下：

(4)

式中:，，含义同阿伦尼斯方程；

为劳森湿度常数，与材料的吸湿能力相关；

为相对湿度。

应用式(4)可得劳森温度-湿度模型下相应的温度、相对湿度加速到温度′、相对湿度′的加速系数为：

(5)

佩克温度-湿度模型的表达式如下：

(6)

式中:为佩克常数;为佩克湿度常数，取值为-2～-4;式中其余参数含义同式(4)。

应用式(6)可得佩克温度-湿度模型下相应的温度、相对湿度加速到温度′、相对湿度′的加速系数为：

(7)

2.2.3 试验条件计算过程

同样选取轮速传感器及其线束为计算对象，整车厂的设计寿命为10年，要求在平均温度23 ℃，相对湿度65%下的等效寿命为79 600 h。

根据轮速传感器及其线束的失效模式和影响分析结果，选取劳森温度-湿度模型[式(4)和式(5)]进行试验条件计算，式中活化能系数和劳森湿度常数的选取依据整车厂提供的参数，即=0.4 eV(一般而言，因温湿度存储下的失效机制与高温存储不同，此处的活化能系数与阿伦尼斯的不同)，=5.57×10。当目标试验条件为存储温度85 ℃，相对湿度85%RH，将上述参数代入公式(5)中可得23 ℃、65%RH到85 ℃、85%RH的加速系数：

exp[557×10(85-65)]=80.39。

85 ℃，85%RH下的试验时间计算可以参考式(3)得：

根据计算结果，结合IEC60068-2-67中的试验条件，温湿度存储试验条件确定为：85 ℃、85%RH，试验时间为1 000 h。

2.3 温度循环试验

2.3.1 试验条件

ISO 16750-4中定义了温度循环试验条件，如图1所示，图中表示通电时长，表示一个循环时长;最高温度和最低温度依产品在车辆上的位置而确定，通过查询ISO 16750-4中的温度等级表可知，轮毂周围部件的最高温度=90 ℃，最低温度=-40 ℃，单个循环时间为480 min，下存储90 min，下存储110 min，试验共计30循环。然而有些整车厂针对实际情况和不同车型，提出了比ISO 16750-4更高的试验要求，最高温度可达120、125或130 ℃，有的甚至达到150 ℃。

图1 温度循环试验条件

2.3.2 试验机制

温度循环是一种交变温度应力，其产生的失效模型不同于恒定温度造成的。温度的交变一方面可以释放产品的内应力，另一方面可使两种热膨胀系数不同的材质在温度交变下因形变不同而产生循环机械应力，如PCB板和焊点接头，由此产生机械疲劳失效。所以，温度循环下产品的寿命可用产品到失效所经历的温度循环数来表示，常用科芬-曼森模型来描述这一过程。科芬-曼森模型公式如下：

(8)

式中:为产品到失效经历的循环次数，即产品寿命；

、为科芬-曼森常量，与材料特性和产品设计有关，通常为正值，有时也可以是温度循环频率或最高温度的函数；

Δ为温度差，即循环中最高温度与最低温度之间的差值-。

通过式(8)可知，加大温度变化幅度将缩短产品寿命，即减小循环次数，相应的温度变化幅度Δ加速到Δ′时的加速系数的表达式为：

(9)

式中:为温度变化幅度为Δ时的寿命；

2.3.3 试验条件计算

根据整车厂的实车试验数据可知，文中所述车型轮速传感器及其线束在一天中最大的温度变化范围为40 ℃。虽然每一次小的温度变化都会对产品产生热机械应力，但依据企业的经验可将模型简化，只考虑最大温度变化影响，按照每天发生两次最大温度变化计算，结合产品的设计寿命10年，可得到产品的温度变化幅度Δ=40 ℃时，循环次数为：

=2×365×10=7 500。

在不改变失效机制的情况下，加速后的目标温度循环试验条件为=-40 ℃，=125 ℃，温度转换时间和各温度下的存储时间参考图1，企业推荐的科芬-曼森常数的值为2，应用式(9)计算加速系数为：

在此试验条件下，通过式(9)的变化，计算循环次数为：

3 结论

汽车零部件产品的寿命可通过可靠性试验方法确定，相关试验条件是根据设计要求、实际使用工况和寿命公式进行计算得出的。文中研究的环境试验中高温存储试验、温度湿度存储试验、温度循环试验可分别利用阿伦尼斯模型、劳森温度-湿度模型和科芬-曼森模型计算确定。利用各环境试验对应的寿命模型，不仅可以完成文中所述的试验时间计算，还可以在不改变失效机制的前提下根据时间要求计算出所需的试验温度，从而实现产品可靠性的精准验证，缩短研发时间。文中只利用模型完成了试验时间的计算，但计算模型中的各常量如何确定没有深入研究，如活化能系数、劳森湿度常数、科芬-曼森常数，希望在后续研究中通过平行加速试验法确定各模型中的常数，同时再将试验与实车测试进行关联验证，进一步证明模型选取的正确性。