汽車線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估

張偉，陳鵬，王文岳，錢思宇

（工業和信息化部電子第五研究所華東分所，蘇州 215011）

前言

線束在汽車運行中起著傳遞電壓、信號及數據的作用，稱得上是汽車的神經網絡系統，特別是在當前互聯網大數據的工業背景下，不僅要求線束起到通斷作用，而且還對數據的傳輸速率及響應能力提出了更高的要求[1]。線束的失效不僅影響整車信號傳遞及通斷，更嚴重的甚至危及駕駛員的生命安全，因此，有必要對線束在失效物理層面上進行深入分析研究，根據線束潛在的失效機理定量化的建立失效物理模型，考核線束的疲勞失效壽命在工程實踐中變得十分重要。

加速試驗設計是建立在對產品失效充分認識的基礎上來考核產品壽命或可靠性特征量的一種方法。至少包含以下技術細節：①對產品所有已知或是潛在的失效模式及失效機理的了解；②產品各失效模式下的加速方式及量化設計所需要的失效機理模型；③加速試驗中產品失效的判據與檢測方式。以上三個方面是以量化可靠性評價為目的進行加速試驗設計的必要條件，缺一不可。

本文以汽車線束為研究對象，在對汽車線束的失效模式與失效機理充分了解的基礎上，給出一個量化設計的加速試驗方案，滿足其量化可靠性指標評價的目的。

1 汽車線束的失效模式與失效機理

在工程實踐中，獲取產品失效模式與失效機理等信息一般來源于FMMEA （Failure Mode Mechanism and Effect Analysis），即所謂的失效模式、機理與影響分析。但僅通過FMMEA仍然難以完成一個產品的量化可靠性評價，原因在于通常工業環境條件下所提供的FMMEA仍然缺失加速試驗設計所必要的技術性細節。這些細節可以概括為如下幾點：①一般產品失效的相應根因分析；②失效的特征參數與失效判據；③失效發生的工作環境與條件。

本節在明確汽車線束所有已知或潛在失效模式及失效機理的基礎上，給出加速試驗設計所需的一些關鍵性技術細節，輔助完成汽車線束量化可靠性評價與壽命評估等工作內容。

汽車線束主要由銅制接插件、塑料護套和電線等組成，插接件與電線壓接后安裝在塑料護套內，電線以線束捆扎、膠帶包裹構成[2]，如圖1所示。電線束在整車中的作用是將電氣系統的電源信號和數據信號進行傳遞和交換，實現電氣系統的功能和要求[2]。汽車線束應用于汽車各個部位，有處于高溫環境下的發動機機艙里，有處于沙塵、水和泥漬等惡劣環境的底盤下，有處于汽車前后門及行李后蓋的彎折處等等，汽車線束在這些復雜嚴苛的環境中長期工作，可能面臨各種失效的發生。因此，研究汽車線束的失效模式和失效機理對于預防汽車線束的失效發生具有重要作用。

如前所述，汽車線束主要由銅制接插件、塑料護套和電線這3類組成，關于汽車線束的FMMEA匯總如表1所示。

2 加速試驗設計方案

從汽車線束FMMEA可以看出，對汽車線束影響最大的部位為銅制接插件和電線，此類失效屬于汽車線束的功能性失效，輕者影響汽車某個功能的使用，重者危害汽車駕駛員的安全。因此，需要重點關注銅制接插件和電線在實際使用過程中的失效情況。

為了量化估計汽車線束的疲勞壽命，則需設計量化的加速試驗方案，如前所述，重點考慮汽車線束的銅制接插件和電線的失效，其對應的失效機理分別為腐蝕磨損、材料疲勞和材料老化，根據各失效機理分別建立對應的失效物理模型。

1）腐蝕磨損：采用粘著磨損模型[3]

式中：

Q—接觸表面的黏著磨損量，cm3；

W—接觸面法向載荷，N；

σy—兩磨損面中較軟材料的屈服極限，Pa；

K—黏著磨損系數，cm/（N·m）；

L—磨損滑動的距離（m）、與移動速度v（m/s）和時間 t（s）有關，L=vt。

圖1 汽車線束組成

表1 汽車線束FMMEA結果匯總

2）材料疲勞：S-N曲線[4]

式中：

A、B—材料參數；

S—應力；

N—疲勞壽命（循環次數）。

3）材料老化：Arrhenius公式[5]

式中：

k—速率常數；

R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K）；

T—熱力學溫度（K）；

Ea—表觀活化能（J/mol）；

A—指前因子（也稱頻率因子）。

本文只考慮電線的失效，因而主要針對電線的材料疲勞和材料老化失效機理量化設計加速方案。加速試驗方案主要通過失效物理模型得出如下四個方面信息[6]：

①加速（失效）模型

②加速模型中的應力載荷因素

③可施加應力載荷的參考條件

④加速試驗量化參數的估計

關于加速模型即選取上述的失效物理模型，分別為材料疲勞的S-N曲線和材料老化的Arrhenius公式。加速模型中的應力載荷因素是造成產品失效的根本原因，線束疲勞主要考慮線束長期進行彎折耐久運動產生的疲勞累計損傷，因此，線束疲勞的應力因素應為對線束造成疲勞累計的各影響因素之和。線束老化主要考慮溫度對線束的老化影響，因此，線束老化的應力因素應為溫度。

關于應力載荷的參考條件，即加速試驗的一個參照點，所謂的參照點是指產品在正常工作環境條件下的應力載荷水平。本文以汽車線束為研究對象，主要考核汽車線束長期彎折耐久運動的線束疲勞失效壽命，為了實現線束疲勞耐久運動，以達到加速的作用，采用了線束疲勞耐久試驗裝置（如圖2所示）模擬汽車線束在實際工作中的安裝狀態及彎折運動。

此外，溫度在這過程中加速了線束材料的老化失效，汽車線束老化的應力載荷因素溫度，選取25 ℃作為參考基準。溫度載荷的施加方式較為容易，直接將汽車線束連同工裝放置于可程式溫箱來模擬汽車線束在不同工作環境下的溫度條件。

關于加速試驗量化參數的估計，主要包括加速試驗應力水平的估計，加速試驗時間的估計以及加速因子的估計。本試驗主要考慮線束材料疲勞及材料老化二種失效機理條件下的加速試驗方案，加速線束疲勞失效采用線束疲勞耐久試驗裝置，將線束三軸向運動位移范圍設置為±12 mm，頻率為1 Hz，即三軸同時運動一次時間為1 s，試驗時間設置為105s，加速線束老化失效利用溫箱來實現，設置溫度為125 ℃，時間設置為1 000 h。

加速試驗設計關鍵性技術細節還有一點就是產品的失效判據及失效檢測方式。產品的失效判據及失效檢測方式不僅影響加速試驗結果，也影響最終產品可靠性評價結果。因此，產品的失效判據及失效檢測方式為加速試驗設計重要的環節。

圖2 汽車線束疲勞耐久試驗裝置

本試驗主要考核的是線束的電線部分疲勞失效情況，電線失效往往發生于電線內部斷絲而引起阻抗的增加。因此，選取線束的阻抗值作為失效的特征變量。通過高采樣頻率測量線束的阻抗值來監測線束內部的損傷情況，選取阻抗分析儀作為試驗儀器，并以1 kHz作為測試頻率，在線束二端施加交流電信號，測取不同時刻的阻抗值[7]。試驗初始時刻測量線束阻抗并記錄，試驗過程中測量頻率間隔為10 s/次，試驗結束后再次測量并記錄。根據行業一般標準采用100 MΩ的阻抗作為失效判據，即認為阻抗值超過這一標準即判定為產品失效。

3 疲勞壽命評估

按上述加速試驗方案對汽車線束進行加速壽命試驗，分別為疲勞耐久試驗和高溫老化試驗。疲勞耐久試驗進行到產品發生失效或者達到試驗時間停止，試驗時間為105s約為27.8 h，加速因子為105/20等于5 000，因此，疲勞壽命粗略估計為27.8 h×5 000，約為15.9年。

高溫老化試驗在125 ℃試驗條件下進行1 000 h，由于線束老化的失效機理模型為Arrhenius公式，故加速因子由加速應力水平下Arrhenius公式參數對正常應力水平下Arrhenius公式參數得到，如下式所示：

式中：

AF—加速因子；

Tuse—正常使用環境條件下的溫度；

Tstress—加速條件下的環境溫度（單位為熱力學溫度K），試驗中表觀活化能Ea取3.08（J/mol）；

R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K），Tuse=273+25=298 K，Tstress=273+125=398 K，代入加速因子計算公式得出加速因子AF約為22.76，由此可估算出線速老化壽命約為2.6年。

通過上述加速試驗結果，可得出進行10萬次的疲勞耐久試驗可模擬汽車線束15.9年的疲勞壽命，進行1 000 h的125 ℃高溫老化試驗可模擬汽車線束2.6年的老化壽命。在實際工程中，可根據不同種類的汽車線束和不同的使用環境要求進行特定的加速壽命試驗，研究方法供汽車行業在進行線束可靠性量化評價方面提供一定的借鑒和指導作用。

4 結語

產品加速試驗設計的目的在于提供一個加速試驗方案，以滿足產品可靠性尤其是相關量化評價的要求。本文以汽車線束為研究對象，在明確汽車線束失效模式及失效機理的基礎上給出一個量化的加速試驗方案，來定量化的評估汽車線束的疲勞壽命及老化壽命，研究結果供汽車行業在評價汽車線束的可靠性量化特征方面提供一個一般性的研究思路。由于汽車線束實際工作環境的復雜性，失效存在多方面的影響因素，還需要對汽車線束在實際使用中發生的失效信息進行交叉校核來進一步量化汽車線束的可靠性壽命特征量。