曲嵐峰， 王秀鑫， 王 濤， 楊宸寧

（濰柴動(dòng)力股份有限公司， 濰坊 山東 261000）

隨著先進(jìn)柴油技術(shù)的愈加完善，柴油車已擺脫體積過(guò)大、易污染環(huán)境等一系列問(wèn)題的困擾。與此同時(shí)，其又因油耗低、動(dòng)力強(qiáng)的特點(diǎn)深受人們的喜愛(ài)，市場(chǎng)占有率逐年提高。從道路、非道路的簡(jiǎn)單區(qū)分到輕重卡、農(nóng)機(jī)以及工程機(jī)械等方面的專項(xiàng)應(yīng)用，多樣的場(chǎng)景為相關(guān)研發(fā)提出了更高的要求。在如今開(kāi)發(fā)周期縮短以及多產(chǎn)品并行的高速研發(fā)階段，高要求也意味著在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等方面不可避免地會(huì)存在一些影響產(chǎn)品可靠性的缺陷。對(duì)于這些潛在的可靠性缺陷，絕大部分的企業(yè)會(huì)在產(chǎn)品量產(chǎn)前進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境可靠性試驗(yàn)。

常規(guī)的環(huán)境可靠性試驗(yàn)基于傳統(tǒng)試驗(yàn)方案進(jìn)行，如高低溫運(yùn)行試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)以及濕熱試驗(yàn)等。此類傳統(tǒng)試驗(yàn)方案目前已較為成熟，并形成了通用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 16750-3、ISO 16750-4以及GJB 150.16 A-2009等。同時(shí)，一些車企會(huì)根據(jù)自身產(chǎn)品的獨(dú)特性，設(shè)計(jì)形成內(nèi)部獨(dú)有的企業(yè)特色標(biāo)準(zhǔn)，如GM 3172、VM 80101等[1]。通常情況下，企業(yè)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)相較于通用標(biāo)準(zhǔn)會(huì)更為嚴(yán)苛，這也意味著通過(guò)試驗(yàn)的產(chǎn)品往往具備更高的可靠性。

傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)大多基于不同類型的環(huán)境應(yīng)力分別展開(kāi)，如：工作環(huán)境的溫濕度閾值、溫度變化的速率以及振動(dòng)強(qiáng)度等。之后，根據(jù)產(chǎn)品需求的失效率、置信度等一系列可靠性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，包括產(chǎn)品的樣件數(shù)量、各類試驗(yàn)的周期等。就目前而言，一款產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)通常需要幾十塊的樣件并進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)至少4個(gè)月的試驗(yàn)周期才能夠全部完成。因此，無(wú)論在研發(fā)時(shí)間成本或是樣件成本上，生產(chǎn)的每一款成熟可靠的產(chǎn)品都意味著一筆巨大的開(kāi)銷。除此之外，在如今多產(chǎn)品并行的研發(fā)階段下，有時(shí)也會(huì)存在一定的試驗(yàn)資源沖突。

對(duì)此，為適應(yīng)高速研發(fā)現(xiàn)狀以及降低可靠性試驗(yàn)時(shí)間及樣件成本，Hobbs博士在20世紀(jì)80年代末至90年代初提出了一種高加速壽命試驗(yàn)方法[2]。

1 高加速壽命試驗(yàn)介紹

高加速壽命試驗(yàn)（Highly Accelerated Life Testing，HALT）是一種通過(guò)施加大幅值應(yīng)力來(lái)快速激發(fā)暴露產(chǎn)品內(nèi)部缺陷的可靠性試驗(yàn)[3]，這種大幅值的應(yīng)力一般會(huì)遠(yuǎn)高于產(chǎn)品所規(guī)定的技術(shù)規(guī)范上下限值。其中，技術(shù)規(guī)范限值被定義為生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品工作環(huán)境應(yīng)力所限定的閾值[4]。

作為一種新興的可靠性試驗(yàn)方法，高加速壽命試驗(yàn)采用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型作為方案的理論基礎(chǔ)，用于揭示產(chǎn)品因可靠性問(wèn)題而出現(xiàn)失效故障的原因。在應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型中，主要是描述“應(yīng)力”和“強(qiáng)度”的概率分布以及彼此間的相互聯(lián)系。其中，應(yīng)力可以視為一種使產(chǎn)品失效的作用力，如：外界的溫度、濕度以及振動(dòng)等。而強(qiáng)度則是產(chǎn)品自身用于抵御應(yīng)力并保證自身工作正常的“反作用力”。

如圖1所示，產(chǎn)品所受到的“應(yīng)力”與其自身的“強(qiáng)度”在一定程度上會(huì)有所干涉。每一種產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)存在這樣的一種干涉區(qū)域，也就是其發(fā)生失效或故障的概率。這種干涉存在的原因有很多，如：“產(chǎn)品的工作壽命累計(jì)到一定程度而出現(xiàn)的自身強(qiáng)度下降”、“產(chǎn)品某一時(shí)刻工作在超出技術(shù)規(guī)范應(yīng)力的環(huán)境”以及“產(chǎn)品內(nèi)部零件不匹配造成強(qiáng)度降低”等。

圖1 應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型

在高加速壽命試驗(yàn)過(guò)程中，絕大多數(shù)的失效故障都會(huì)被視為疲勞損傷。通常情況下，這種疲勞損傷是由于產(chǎn)品當(dāng)前時(shí)刻的“強(qiáng)度”小于所處環(huán)境的“應(yīng)力”導(dǎo)致。故障物理學(xué)認(rèn)為任何可靠性試驗(yàn)所施加的外界應(yīng)力在產(chǎn)品內(nèi)部都會(huì)轉(zhuǎn)化為機(jī)械應(yīng)力，而當(dāng)產(chǎn)品受到同樣量值的機(jī)械應(yīng)力時(shí)，相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)要遠(yuǎn)比正常環(huán)節(jié)的損壞時(shí)間早得多，具體的疲勞損傷計(jì)算如下：

式中：D——產(chǎn)品累積受到的疲勞損傷；N——產(chǎn)品所受到的應(yīng)力循環(huán)數(shù)；S——產(chǎn)品內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力；β——材料指數(shù)（大部分為8～12）。

相關(guān)的文獻(xiàn)表明[5]，內(nèi)部存在缺陷的薄弱環(huán)節(jié)在同樣外界環(huán)境下，其自身所受到的機(jī)械應(yīng)力約為正常環(huán)節(jié)的2～3倍，所以，當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)行高加速壽命試驗(yàn)時(shí)，薄弱環(huán)節(jié)的疲勞損傷能夠快速地累積，直至失效故障閾值暴露出來(lái)，而此時(shí)，正常環(huán)節(jié)仍保留著至少99.9%的強(qiáng)度。

因而，高加速壽命試驗(yàn)基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型，不斷地整改產(chǎn)品所存在的設(shè)計(jì)缺陷來(lái)提高自身強(qiáng)度。通過(guò)一次次將“強(qiáng)度”的概率分布模型“向右移動(dòng)”，達(dá)到使失效故障的概率縮小乃至消失的目的。

2 高加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)

高加速壽命試驗(yàn)的理論標(biāo)準(zhǔn)近年來(lái)也正在不斷增加，如GB/T 29309、GB/T 34986等。GB/T 29309是一種定義高加速壽命試驗(yàn)流程方法的理論標(biāo)準(zhǔn)，將試驗(yàn)順序依次設(shè)定為5個(gè)環(huán)節(jié)：步進(jìn)低溫、步進(jìn)高溫、快速溫變、振動(dòng)以及綜合試驗(yàn)。其中，振動(dòng)試驗(yàn)是高加速壽命試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)缺陷最多的一個(gè)環(huán)節(jié)，故障檢出比率大概為45%；排名第2的是綜合試驗(yàn)，故障檢出比率僅為20%[6]。

步進(jìn)低溫試驗(yàn)因其對(duì)于產(chǎn)品的破壞性最小，通常作為試驗(yàn)方案中的第1項(xiàng)。在步進(jìn)距離的選取上，室溫至-40℃（ISO 16750-4規(guī)定參數(shù)） 范圍內(nèi)，基于相似產(chǎn)品的可靠性結(jié)果，可以選擇設(shè)置較大的步進(jìn)距離，如15℃。為防止產(chǎn)品因密封膠或其它隔熱材料導(dǎo)致溫箱與產(chǎn)品內(nèi)部的溫差較大，應(yīng)以產(chǎn)品內(nèi)部的熱電偶溫度采樣值為準(zhǔn)。在每個(gè)步進(jìn)階梯處，應(yīng)當(dāng)停留15min以確保產(chǎn)品在該階梯處無(wú)失效故障出現(xiàn)時(shí)才可進(jìn)行下一梯度的試驗(yàn)。達(dá)到技術(shù)規(guī)范后，需要適當(dāng)?shù)乜s小步進(jìn)距離，如10℃，直至確定產(chǎn)品的工作極限以及破壞極限。同理，故步進(jìn)高溫試驗(yàn)不再過(guò)多贅述。

快速溫變?cè)囼?yàn)是通過(guò)快速升高或降低產(chǎn)品外部環(huán)境溫度，進(jìn)而分析溫變速率對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)有無(wú)影響的一種可靠性試驗(yàn)。一次完整的高加速壽命試驗(yàn)，至少包含著5輪快速溫變?cè)囼?yàn)。通常情況下，溫變速率視所選擇的三綜合試驗(yàn)箱參數(shù)而定。

振動(dòng)類試驗(yàn)是高加速壽命試驗(yàn)中缺陷檢出最為有效的一種方式，以ISO 16750-3的商用車發(fā)動(dòng)機(jī)隨機(jī)振動(dòng)參數(shù)為例，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給出的PSD與頻率的關(guān)系，計(jì)算該振動(dòng)的加速度均方根Grms為177m/s2。首先，需確認(rèn)產(chǎn)品在1Grms下運(yùn)行狀態(tài)正常且無(wú)外殼損壞。之后，步進(jìn)增加或降低振動(dòng)強(qiáng)度，以每次2～3Grms的步進(jìn)距離逐步增加或遞減[7]。

綜合試驗(yàn)是高加速壽命試驗(yàn)的最后一步，需將前期所進(jìn)行的所有環(huán)境應(yīng)力結(jié)合在一起。各個(gè)環(huán)境應(yīng)力剖面在設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)試驗(yàn)時(shí)間的差異進(jìn)行匹配，進(jìn)而保證在綜合試驗(yàn)過(guò)程中，每一個(gè)應(yīng)力剖面都是在不斷變化的。

3 失效分析與改進(jìn)措施

作為汽車電子系統(tǒng)中最為核心的部分之一，電子控制單元ECU負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的管理與控制，如：傳感器信號(hào)的采集、執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)以及系統(tǒng)間的信號(hào)通信等。

近年來(lái)，因電子產(chǎn)品種類的不斷增加，ECU所需要處理計(jì)算的信號(hào)也隨之增多，其內(nèi)部電路的復(fù)雜度自然也不斷增加。在ECU內(nèi)部的PCB結(jié)構(gòu)上焊接著大量的電容、電阻以及控制芯片等。如此密集的結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)可靠性問(wèn)題，發(fā)生短路、斷路等故障，則很容易發(fā)生事故。ECU內(nèi)部電路示意如圖2所示。

圖2 ECU內(nèi)部電路示意圖

在一次實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)ECU的上位機(jī)監(jiān)控軟件報(bào)出一路PWM驅(qū)動(dòng)發(fā)生斷路故障，進(jìn)行連接導(dǎo)通性檢查未發(fā)現(xiàn)異常，此時(shí)，判斷為ECU內(nèi)部電路存在失效故障。將試驗(yàn)暫停后，目視ECU控制器外部沒(méi)有可視的損壞或形變?；蝿?dòng)控制器，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在元器件脫落。拆除ECU外殼并觀察電路板，發(fā)現(xiàn)為電容炸裂導(dǎo)致上端部分分離。電容炸毀示意如圖3所示。

圖3 電容炸毀示意圖

對(duì)此，查閱該電容參數(shù)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)該電容的技術(shù)規(guī)范上限為在85℃的溫度應(yīng)力下運(yùn)行20000h。結(jié)合故障出現(xiàn)的試驗(yàn)時(shí)間以及S-N圖模型，在130℃的溫度應(yīng)力下，試驗(yàn)時(shí)間已超出該電容的承受極限，所以，確定該P(yáng)WM驅(qū)動(dòng)斷路故障由電容的溫度耐受缺陷導(dǎo)致。對(duì)此，臨時(shí)將其替換為溫度技術(shù)規(guī)范上限更高的電容元器件，并在試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行更加細(xì)致的電容選型。

4 結(jié)論

高加速壽命試驗(yàn)已被越來(lái)越多的企業(yè)采用，其高效快速的試驗(yàn)優(yōu)勢(shì)更加符合當(dāng)前高速研發(fā)的現(xiàn)狀。本文根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單的試驗(yàn)過(guò)程介紹，為未來(lái)高加速壽命試驗(yàn)的不斷完善提供了依據(jù)。