汽車電子電器件振動試驗方法探討

展亞輝，王 冠，蔡士波

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

前期電子電器件的振動試驗方法采用正弦的方式較多，比如《QC／T 727-2007汽車、摩托車用儀表》、《QC／T 632-2000汽車用翹板式開關(guān)技術(shù)條件》、《QC／T 413-2002汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件》等。國際知名零部件供應(yīng)商認(rèn)可16750-3的試驗方法，一些新版本標(biāo)準(zhǔn)比如《QC／T 198-2014汽車用開關(guān)通用技術(shù)條件》、《QC／T 218-2017汽車用轉(zhuǎn)向管柱上組合開關(guān)技術(shù)條件》、《QC／T 628-2014汽車用帶點火開關(guān)的轉(zhuǎn)向鎖》都不再使用之前的正弦振動方法，而運用16750-3的隨機振動試驗方式進(jìn)行，隨機振動試驗在電子電器件上應(yīng)用有代替之前正弦方法的趨勢。對這種新方法進(jìn)行探討：16750-3標(biāo)準(zhǔn)同時模擬溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力，我們不談溫度應(yīng)力，而只談?wù)駝討?yīng)力，且只談車身部件的振動應(yīng)力，標(biāo)準(zhǔn)中4.1.2.4的試驗條件是以A.5為基礎(chǔ)進(jìn)行計算的。我們談?wù)勥@種路譜到臺架再現(xiàn)的方法。

1 S／N曲線的選取

此試驗方法基于MIL810標(biāo)準(zhǔn)中大部分關(guān)鍵材料的S／N曲線進(jìn)行計算，圖1為某種模型下的S／N曲線。

圖1 S／N曲線

2 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

標(biāo)準(zhǔn)中以30×104km進(jìn)行計算，按50 km／h的速度、90%的路譜道路進(jìn)行計算，共需要30×104×90%／50=5400 h，標(biāo)準(zhǔn)中說絕對是最壞的情況，實際一般采用小于試驗場道路的50%進(jìn)行計算。

振動臺的數(shù)據(jù)通過19.91 s的實測數(shù)據(jù)，分段統(tǒng)計出2個過零點間加速度值的最大值及半個周期的數(shù)量，如圖2所示，（20～30）m／s2、（10～20）m／s2、（0～10）m／s2、（-10～0）m／s2、（-20～-10）m／s2、（-30～-20）m／s2加速度的個數(shù)分別為1、2、2、2、2、1，加速度值可以采用統(tǒng)計值的均方根值；統(tǒng)計正負(fù)半周期的個數(shù)之和除以2，即在此加速度均方根值下的加速度數(shù)量c。8 h內(nèi)的個數(shù)為：c×8×3600／19.9=1477c；按照同樣的方法統(tǒng)計并計算出路譜的加速度均方根值及加速度數(shù)量c′，5400 h內(nèi)的負(fù)荷分布為：5268293c′。

圖2 負(fù)荷提取方案

過零點最大值及個數(shù)采用labview軟件進(jìn)行編程計算。編程思路：對上一數(shù)據(jù)符號進(jìn)行判斷，當(dāng)符號發(fā)生變化（由正變負(fù)、或由負(fù)變正、或變0）時記錄此時的數(shù)據(jù)1和符號，繼續(xù)計算每個數(shù)據(jù)點并記錄，當(dāng)符號發(fā)生變化時記錄數(shù)據(jù)2，計算數(shù)據(jù)1和2之間的最大值并以數(shù)據(jù)1的符號作為最大值的符號。

3 數(shù)據(jù)的計算及試驗條件的確定

加速模型是臺架在線的基礎(chǔ)，加速模型的準(zhǔn)確性決定了路譜迭代的準(zhǔn)確程度，因?qū)ふ覝?zhǔn)確模型的難度大，故標(biāo)準(zhǔn)中共12種模型來計算，為的是各種模型互相補充其它模型的不準(zhǔn)確性，此種做法也是本著不放過產(chǎn)品問題的目的。aD為理論失效次數(shù)對應(yīng)的加速度，k值是模型的斜率。其中k=3.5，5，7，10，共4種，對應(yīng)3種疲勞次數(shù)：2×106，10×106，50×106，故模型為3×4=12種。Miner origial認(rèn)為低于aD水平的振動應(yīng)力不會對整體做出貢獻(xiàn)，而標(biāo)準(zhǔn)采用更實際的Haibach修正：即低于aD的斜率發(fā)生變化，為2k-1。如圖1，在不同的疲勞模型次數(shù)下確定的aD為樣品的疲勞強度剛剛達(dá)到使用要求的次數(shù)，為假想理論值。

式中：Ni——根據(jù)S／N曲線計算的在加速度ai下的失效次數(shù)；ni——實際采集路譜折合成27萬千米的次數(shù)，ni即n實際1n實際2……n實際15分別如標(biāo)準(zhǔn)中的2636719、2636719……271582031，或為折合成一定振動臺條件和時間的次數(shù)，n臺面1n臺面2……n臺面15分別為6509、9402……2606636；Si——局部損傷。

累積損傷和為：

S≥1時，樣品失效。

標(biāo)準(zhǔn)計算示例中實際采集加速度ai即a實際1、a實際2……a實際15，分別為129.4、112.7……4.176 m／s2，加速后的加速度a臺面1……a臺面15，分別a1為403.4 m ／s2……91.09 m ／s2。

以第1種模型為例，確定在均方根為33 m／s2的PSD曲線的試驗時間：

第1步：求取路譜的aD，其中ND，ai，k已知，需求取aD、Ni：

ND=2×106

ai等同于a實際1、a實際2……a實際15。

假設(shè)aD=200，利用式（3）可求得Ni，利用Ni的結(jié)果和式（1）可求得Si，利用求得的Si和式（2）可求得S=0.32。因其值小于1，故減小假設(shè)值aD=100，求得S=16.3，因其值大于1，故增加aD值。不斷假設(shè)aD值，使得S=1，可確定aD1=165。利用同樣方法，確定加速到振動試驗臺架的aD2值，aD2=250，第1種模型的應(yīng)力比：r1=250／165=1.51，12種模型的應(yīng)力比r=aD2／aD1均≥1時，加速時間確定，否則需增長試驗臺架的時間。標(biāo)準(zhǔn)中臺架時間為8 h，應(yīng)力比范圍為1.23～2.02，當(dāng)?shù)?種模型，即ND=50×106，k=3.5，加速后aD=112，加速前aD=91，即r=1.23時，應(yīng)力比最小。

有一點需要注意，當(dāng)ai的值大于假設(shè)的aD值時，k=3.5；當(dāng)ai的值小于假設(shè)的aD值時，k=2×3.5-1=6，因為此時的修正系數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)說“更加現(xiàn)實”的2k-1來計算。

模型可以用Excel進(jìn)行計算：如計算斜率的公式：=IF（$F11

4 數(shù)據(jù)采集處理及試驗注意事項

某次實際采集CD機、后視鏡的路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，試驗室電磁振動臺最低的頻率為5 Hz，故只提取5 Hz或5 Hz以上的PSD。

在對CD機進(jìn)行路譜轉(zhuǎn)化時，直接采集CD機加速度時域信號，采集完畢后再對信號進(jìn)行PSD轉(zhuǎn)換，直接對PSD放大n倍進(jìn)行試驗，PSD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成txt文件，直接導(dǎo)入振動臺測試界面進(jìn)行加載試驗；而對后視鏡進(jìn)行路譜轉(zhuǎn)化時，在放大PSD之前的步驟與前述相同，放大后的PSD，選取描點法進(jìn)行，應(yīng)該首選共振點，其次選擇代表趨勢的拐點，某次轉(zhuǎn)化的結(jié)果見表1。

表1 轉(zhuǎn)化結(jié)果

采集信號時，需用路譜及振動臺的采樣頻率應(yīng)相同，以減小誤差。

試驗時按標(biāo)準(zhǔn)所說，為避免工裝的共振導(dǎo)致加速度過大，應(yīng)該采用《IEC 60068-2-64-2008環(huán)境試驗-第2-64部分：試驗-試驗Fh：震動，寬帶隨機和指導(dǎo)》平均控制方法。

5 功率譜密度均方根值計算

16750-3標(biāo)準(zhǔn)4.1.2.4中乘用車簧載質(zhì)量的試驗條件如圖3所示。具體參數(shù)見表2。

圖3 試驗條件

表2 試驗參數(shù)

其均方值等于圖3中ABCDEF的面積，包括ABCD的面積S1和CDEF的面積S2。

首先求取S2：

再求取S1的面積，首先求取aD的斜率m：

f1=10 Hz，f2=400 Hz，PSD1=30（m／s2）2／Hz，根據(jù)m求取PSD′：

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計量資料若服從正態(tài)分布以表示，采用Student′s t檢驗；反之，用中位數(shù)(25%～75%)表示采用非參數(shù)秩和檢驗。計數(shù)資料以百分率表達(dá)，采用卡方檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

取近似值10log2=3時，

在標(biāo)準(zhǔn)表A.4中ECU共振頻率為600 Hz時，根據(jù)上式計算，對應(yīng)的功率譜密度為0.17 （m／s2）2／Hz和4.1.2.4中600 Hz對應(yīng)的功率譜密度0.2相差不大。

再對PSD求積分：

6 12種模型的探討

加速模型的S／N曲線如圖4所示，每個加速度單位時間的加速度個數(shù)為N1、N2……N6，加速的理論模型拐點為aD，模型次數(shù)為N。

加速理論基于加速度大而時間縮短的理論，S／N曲線的準(zhǔn)確度取決于材料的性能曲線，標(biāo)準(zhǔn)中斜率有4種，分別為k=3.5，5，7，10，原始低損傷曲線Miner original情況下，圖4中a4-a6的對損傷沒有貢獻(xiàn)，我們采用2k-1的修正進(jìn)行計算。

圖4 加速模型的S／N曲線

假設(shè)實際采集的加速度為a6、a5、a4，均小于aD，對應(yīng)單位時間個數(shù)分別為N6、N5、N4，振動臺條件采集的信號為單位時間個數(shù)分別為a3、a2、a1，均大于aD，對應(yīng)個數(shù)為N3、N2、N1。

路譜的時間振動臺的分損傷以2種極限斜率k=3.5和k=10的模型進(jìn)行計算，以90%路況計算，2種模型路譜的時間為5400 h。則：

由式 （4）、 （5） 得：

S3.5實際=1時，確定為aD，

S10實際=1時，確定aD′，

aD′必小于aD。

令S3.5臺、S10臺=1，則由式 （6）、 （7） 式得：

t臺3.5=1 ／（N1 ／Ng1+N2 ／Ng2+N3 ／Ng3）

t臺10=1 ／（N1 ／Nr1+N2 ／Nr2+N3 ／Nr3）

因Nr1

對應(yīng)3種疲勞次數(shù)2×106，10×106，50×106，為一種理論假設(shè)，《GB／T 2423.10-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分試驗方法 試驗Fc振動 （正弦）》中正弦的振動次數(shù)10×106為足夠的，可以不超過此次數(shù)。在16750-3標(biāo)準(zhǔn)4.1.2.6.2中以20 h／oct的掃描速率進(jìn)行掃頻試驗，在共振帶寬100 Hz（比如33～133 Hz，或50～150 Hz） 的情況下，相當(dāng)于107循環(huán)（實際計算的次數(shù)為10.4×106）。故是否可以這樣理解：3種次數(shù)是足夠的，而不需超越它們。

7 弱強度材料設(shè)計與試驗的關(guān)系

aD是實際路譜計算的理論值，實際設(shè)計的材料需aD實際≥aD才能滿足要求。假設(shè)需要材料2進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，材料2的強度相對標(biāo)準(zhǔn)中的材料強度要弱，且假設(shè)一定尺寸下材料1剛達(dá)到使用要求，或者說剛達(dá)不到使用要求。如圖1，1為某種關(guān)鍵材料的曲線，同尺寸的材料2對應(yīng)某種模型失效次數(shù)，失效的加速度為aD′，aD′＜aD，一般來說每個加速度ai對應(yīng)的失效次數(shù)也會減少，故曲線在1的左下方，如圖1中線4，即每一個加速度ai對應(yīng)材料2的失效次數(shù)Ni′都小于材料1的Ni。因?qū)崪y的加速度個數(shù)相同，故ni／（Ni′）＞ni／Ni，則求取材料2的累積損傷S′大于材料1的S=1，故理論上材料2在8 h振動條件下要失效。

舉一個簡單的例子，組合儀表一般具有4個安裝腳，必須使用一種塑料，其強度不如材料1，圖1中S／N曲線是在材料1某種尺寸下的S／N曲線，如果材料2在相同的尺寸下，強度不滿足要求，那么需要增加材料2尺寸，即增加儀表4個安裝腳的尺寸，使材料2的曲線落在曲線1的右上方，如圖1中曲線5，則可使得產(chǎn)品滿足路況的使用要求。

8 結(jié)語

隨機振動試驗是各種頻率的加速度合成試驗，不同頻率的加速度同時對樣品進(jìn)行激勵，在較短的時間內(nèi)其頻率范圍比正弦寬許多。由于電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其本身具有幾個或更多的自由度，故具有許多的共振點，寬頻率范圍的振動同時激勵產(chǎn)品會激發(fā)產(chǎn)品不同部位的共振，帶動產(chǎn)品XYZ方向運動甚至軸向轉(zhuǎn)動，更接近實際使用情況。用正弦振動試驗條件激發(fā)產(chǎn)品的故障時，不能達(dá)到隨機振動試驗的效果，故車身的電子電器件16750標(biāo)準(zhǔn)中要求按實際使用情況進(jìn)行隨機振動試驗。