汽車電連接器加速壽命評估方法研究

陳鵬，李秋影

（工業和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215129）

0 引言

汽車電連接器[1]在實際的應用或者貯存的過程中，可能會受到環境應力和振動應力等多重應力作用的影響，因此，若要對汽車電連接器接觸壽命進行詳細的分析，就有必要建立可靠性模型。對環境應力進行分析可知，對汽車電連接器影響最大的是溫度應力和振動應力，建立對應的失效物理模型是開展后續研究的重要基礎之一。

1 汽車電連接器的加速壽命統計模型

1.1 汽車電連接器的失效物理方程

當前在加速模型方面應用較為普遍的模型為單應力加速模型，影響電器元件加速壽命的關鍵因素為溫度應力，可以利用阿倫尼斯（Arrhenius）公式來描述熱應力對器件壽命的影響狀況。在所有的模型之中，最經典的模型為艾琳模型，該模型以電應力和溫度應力作為環境應力，與阿倫尼斯模型具有一定的相似之處。前者主要用于描述溫度應力作用時器件的失效模式，并且可使用溫度或其他單應力加速試驗數據建模，因此該模型在實際的應用中更具有普遍性，可將單應力加速模型應用于加速試驗之中。根據動力學和激活能等理論可得到逆冪律模型，在該模型中，汽車電連接器的壽命分布服從威布爾分布，且其平均失效時間與n次冪呈正相關變化關系[2]。

在艾琳模型之后，Peck在此基礎上提出了溫度-濕度模型，隨后也推導出了其他諸多模型，但這類模型均是基于艾琳模型建立的。

電連接器壽命與溫度的數學關系為：

在振動應力的作用下，連接器壽命同振動應力之間的相關性可通過公式（2）予以表示：

由式（1）-（2）可知，在單溫度應力和振動應力的作用下，失效物理模型分別為阿侖尼斯方程和逆冪律方程。

在模型的實際應用過程中，環境應力包含溫度應力和振動應力兩個部分的內容，并且兩種應力之間會產生相互影響；尤其是對于汽車電連接器而言，在工作過程中會同時受到溫度和振動應力的影響。例如：在汽車行駛的過程中，路面對車輪的激振力會通過車架傳遞到電連接器上，進而引起電連接器振動；除此之外，電連接器的接觸對在振動過程中會發生相互作用，繼而產生熱量，使接觸表面的溫度升高[3]。

當前學術界已有研究者對溫度和振動應力綜合作用下的連接器壽命試驗進行了廣泛而深入的研究，并且已有了較為成熟的模型。利用電連接器在綜合應力作用下的失效形式分析其失效模型，可以得到綜合應力加速壽命模型，即Eyring模型，如公式（3）所示：

式（3）中：ΔE——激活能；

k——玻爾茲曼常數；

T——絕對溫度；

S——隨機振動應力；

A、α——待定系數。

1.2 電連接器的失效壽命分布

在傳統的可靠性分析理論中，為了方便對所獲取的數據進行統計和研究，通常認為能夠導致電器元件出現失效的因素為偶然因素類型，因此電器元件的壽命分布符合指數分布關系，其分布函數相對而言較為簡單，其可靠性特征是一個常數，與時間t并無顯著相關性，指數分布模型為單參數模型，在進行數據處理時所采用的處理方法相對而言較為簡單[4]。

在汽車電連接器的相關理論中，威布爾分布作為一種核心概念，其分布十分廣泛，在非線性模型中的應用較為普遍，可用于對失效函數和時間的相關性研究。除此之外，威布爾分布可通過形狀參數將其轉換為正態分布或其他典型的分布方式。已有的試驗研究證明，當產品的某一部分出現失效或產品失去某項功能時可導致產品整體失效或產品功能徹底喪失，基于此可知，產品壽命分布在多數情況下服從威布爾分布。本文主要對電連接器失效模式中的接觸失效進行研究，并以電連接器的接觸失效壽命作為其整體壽命，接觸失效壽命指的是電連接器在接觸對出現失效時其工作時間?？蓪㈦娺B接器模型視為一個由多個接觸對串聯所組成的模型，根據串聯定義可知，電連接器的接觸失效壽命為壽命最短接觸對的壽命。按照威布爾分布特征以及前文研究結果，在本文中可假設電連接器的使用壽命服從威布爾分布[3]。

電連接器的失效壽命概率密度函數為：

式（4）中：m——形狀參數；

η——尺度參數或特征壽命。

1.3 可靠性統計模型

在對產品可靠性進行研究時需要選擇正確的模型對產品的失效模式和參數進行分析，因此產品的可靠性統計模型也是本文分析電連接器加速壽命試驗中的重要內容。

利用產品可靠性模型即可得到產品壽命與相關影響因素之間的相關性，最終得到表示產品壽命的概率分布函數。

根據上文可得產品的壽命和溫度，以及振動應力之間的關系式為t=A·S-α·exp[（ΔE/（kT）]，產品壽命服從威布爾分布。

按照威布爾分布的特征可知，電連接器的產品失效分布形狀參數m對應于產品的失效機理，如果加速壽命試驗所選擇的試驗應力沒有改變電連接器的失效機理，即所選定的最高試驗應力符合加速壽命的要求，那么可以認為在該試驗應力水平下產品的失效分布形狀參數m沒有改變[5]。

根據以上所述內容可知，汽車電連接器的壽命模型服從威布爾分布，依照加速壽命相關理論可知不會改變電連接器的失效機理，即產品在不同的應力水平下形狀參數m保持不變，產品特征壽命η與選擇的試驗應力之間的相關性可表示為：

令ζ=ln t，其概率密度函數可表示為：

式（6）中：μ=lnη，σ=1/m。

在該模型中，產品壽命分布參數μ是應力x，y的函數：

式 （7）中：γ0=ln A，γ1=ΔE/（1 000k），γ2=-α，x=1 000/T，y=ln S。

2 汽車電連接器的可靠性試驗方案參數確定

2.1 加速變量

在實踐中，需要根據工程的實際情況來建立加速壽命模型，但模型并非能全面地反映所有的失效機理，即不能通過一次試驗來模擬產品在復雜環境下的失效模式，產品的加速壽命試驗是建立在產品失效機理簡單化的前提條件之上的。影響產品使用壽命和可靠性的相關因素為產品的薄弱環節，其中也只有幾種類型的關鍵失效機理會使產品出現故障。在加速壽命試驗時可對產品薄弱環節的失效機理進行分析和研究。按照前文所分析的結果可知，當汽車電連接器出現接觸失效時，其主要原因大多為接觸對的接觸不良引起[6]。

產品故障的主要原因是產品失效所致，若要對產品的失效原因及造成產品失效的因素進行分析，需要對產品薄弱環節的外部應力進行分析研究，即需要對影響產品可靠性的敏感應力予以說明和研究，根據影響產品可靠性和壽命的相關因素來完成產品加速變量的確定。造成汽車電連接器出現接觸失效的主要外部環境應力為溫度應力和振動應力，由此，在本次加速壽命試驗中加速壽命的變量選取為溫度和振動應力[7]。

汽車作為一種交通工具需要在不同的路面狀況下運動，不可避免地受到路面激振力的作用，地面的激振力將會通過汽車車架傳遞給汽車上的電子產品。因此，電子產品在工作過程中所遇到的典型環境應力之一即為振動應力，基于振動方式可將汽車電子產品受到的振動應力分為隨機振動和正弦振動兩類，就汽車電子產品而言，引發振動的原因包含路面激勵和發動機等工作時傳遞的振動，其中由汽車內部所引起的振動可視為確定性振動；反之，由地面激勵所誘發的振動可將其劃分為隨機振動范疇[8]。在汽車不同位置所安裝的電子產品所受到的振動力類型具有一定的差異性，其振動幅值等參數也不盡相同，在國際標準ISO 16750-3中，對安裝于汽車不同位置的電子產品振動類型及參數提出了相應的要求。依照本次試驗產品的特征，采用隨機振動方式，基本條件為ISO 16750-3中試驗IV乘用車、彈性車（車身），振動曲線和功率譜密度（PSD）數值如圖1和表1所示[9]。

表1 隨機振動試驗譜對應的功率譜密度

圖1 隨機振動試驗譜圖

2.2 試驗應力水平的選擇

在選擇試驗應力水平時應注意以下幾點。

a）初始應力水平不宜過高，應與正常應力水平接近

在進行試驗時，設定的電連接器的初始應力水平應當與正常水平相接近，以防止對產品產生沖擊繼而改變產品的失效形式；同時，由于在進行加速壽命試驗時大多是通過加大試驗應力來獲取產品的退化特征。因此，為了提升試驗結果的精確性和計算的科學性，在選擇初始應力水平時不宜過高，應適當地選擇較低一些，且與最高應力之間有一定的臺階。

b）應力水平不應超過產品的工作極限

在試驗過程中需要根據產品在加速應力條件下產生的退化趨勢來推導產品在正常工作條件下的可靠性和壽命變化趨勢，當產品所受的試驗應力高于其極限應力水平時可能會導致產品出現不同形式的失效機理。因此，通過加速試驗所測得的數據難以表現產品的可靠性特征，當應力水平較高時估算結果可能是錯誤的。

c）應力水平數應恰當地設置

就加速壽命試驗而言，為了保證工程更為方便、高效地進行，同時避免復雜運算產生過大的計算量，在設置應力水平數時應盡量地合理；合理的應力水平數可有效地縮短加速壽命試驗時間同時也可收集更多的壽命指標，就具體的工程實踐而言選擇3～5個應力水平是最為合適的[10]。

根據上述原則，選擇應力水平如下所述。

2.2.1 工作應力水平

a）溫度

通過分析可知，本文所研究的對象的正常工作溫度范圍區間為-40～105℃，電連接器工作溫度范圍由外界環境溫度和內部溫度聯合作用所致。參考其他研究者的研究結果可知，電連接器在低于正常溫度范圍下工作時不會對產品的壽命試驗產生加速效應。在實踐中，考慮電連接器的具體工作環境差，如長期在過高的外界環境下工作時車內溫度可達60～70℃，設定工作溫度參數為T0=70℃，依照前文分析結果，可求得電連接器的工作溫度應力水平X0為：

b）振動

根據圖1所示的結果可知，總均方根加速度值為27.8 m/s2。為了保證汽車在行駛過程中具有良好的駕駛穩定性和行駛平順性，選擇車身振動的加速度極限值為6～7 m/s2，在本次試驗中最大振動應力水平為7 m/s2，則工作振動應力水平y0為：

2.2.2 最高試驗應力水平

a）溫度

開展加速壽命試驗只是通過改變試驗條件來使產品更快地失效，但加速壽命試驗不會對產品的失效機理產生影響，在試驗溫度超過135℃時電連接器絕緣部分出現變形，失效機理發生變化，在本次試驗后，選取最高溫度應力水平為130℃，通過下式予以表示：

b）振動

同樣參考ISO 16750-3-2007，以加速試驗不能改變產品的失效機理為原則，以總均方根加速度值為27.8 m/s2為基礎，以13.9 m/s2為步進逐步地加大試驗應力到75 m/s2時，會出現頭座分離的現象；這類狀況同正常使用情況均不相同，失效機理發生變化，在過應力的情況下均會導致產品出現失效。故根據前期試驗結果，選擇試驗應力為69.5m/s2，即最高振動應力水平，可通過下式予以表示：

2.3 試驗截尾時間

壽命試驗分為兩種，即完全壽命試驗和截尾壽命試驗。其中，前者指的是使試驗中所有的樣品均失效為止；后者指的是試驗僅在部分樣本失效時結束[10]。

截尾壽命試驗包含3種不同的類型，現對其進行詳細的說明，如下所述。

a）定時截尾壽命試驗

在定時截尾壽命試驗中樣本失效的數量并不固定，該類型試驗又可分為替換試驗和無替換試驗兩種類型。

b）定數截尾壽命試驗

定數截尾壽命試驗時間不固定，該類型的截尾壽命試驗也分為兩種不同的類型，即有替換定數截尾壽命試驗和無替換定數截尾壽命試驗。

c）隨機截尾壽命試驗

在本試驗中所有的樣本在試驗結束時的時間是隨機的，當樣本出現失效時結束試驗，除此之外隨機截尾壽命試驗也可為樣本剛處于結束狀態下的試驗。

根據上述3種不同的試驗方法，本文采用定時截尾無替換方案進行，同時結合摸底試驗數據，將截尾試驗確定為70 h，可求得對數截尾時間τ=4.248 5。

2.4 試驗樣品檢測及過程監測

在本次試驗過程中主要考慮電連接器出現的失效形式為接觸失效，因此，在試驗過程中首先對接觸點之間的接觸電阻進行測量；同時考慮在汽車受地面激振力和發動機振動應力作用下接觸對可能出現的瞬斷等連接失效，在試驗過程中對電連接器接觸對的電連續性進行監測[11]。

最理想的電阻監測方式為實時監測，但受試驗儀器等條件的限制，不能在整個試驗過程中對電連接器的接觸電阻進行實時測量，只能在試驗開展一段時間之后停止試驗并對連接器接觸電阻進行測試，電連接器的失效形式為損耗型，考慮開始階段連接器出現失效的可能性較小，因此在本次測試時將測試時間設置為試驗前測試，在試驗開始一段時間之后開始測試，并逐步地縮短測試間隔時間，這種測試方法不能獲取產品的實際失效時間，因此需通過對測試時間進行處理，進而估算產品的實際失效時間。

對汽車電連接器在試驗過程中出現的瞬斷進行監測，選擇振動和溫度作為環境應力，因此在動態過程中接觸對的相對運動會有所增大，有可能存在接觸對在斷開之后又重新導通等情況。在此狀況下，實際上系統的電信號已經斷開，因此可認為系統已失效，但不能通過檢測接觸電阻的方式及時地發現，僅可通過接觸點瞬斷檢測來判斷。為了較好地對其可靠性進行評價，在本次試驗中對接觸對進行瞬斷檢測，并將檢測結果作為判定汽車電連接器是否失效的重要依據之一。

3 試驗方案設計

本文對溫度應力和振動應力綜合作用下的汽車電連接器加速壽命進行了綜合評價。完成本試驗所需的設備為綜合試驗系統，由于系統自身的構造和原理較為復雜，在國內開展所花費的資金較多，因此，為了在保證試驗效率的同時降低試驗花費，需要對先前的試驗方案進行優化，以降低試驗成本。其中，正交試驗法可在保證試驗具有良好可行性的前提下減少試驗時間，進而控制試驗成本。

正交表是一種成熟的試驗方案表，在正交表中可直接列舉諸多試驗因素水平的組合，因此試驗次數也遠小于全面試驗法。正交統計是依照正交理論總結的一種統計方法，試驗次數為q2，記為o（q2）。當試驗影響因素水平較多時，正交試驗次數要顯著地小于全面試驗次數[12]。

利用正交設計表（如表2所示）來完成試驗方案設計時，由于可通過該正交表來確定不同的試驗因素和試驗應力水平的組合方式，不同的試驗因素所對應的水平則分別用1、2、3、4表示，如表2所示。

表2中，假設兩因素應力水平的取值分別如下所示。

表2 正交試驗表

1）溫度應力：85、100、115、130℃；

2）振動應力：27.8、41.7、55.6、69.5 m/s2。

就本文研究的加速壽命試驗而言，根據前文分析可知，在本試驗過程中主要考慮的加速因子為溫度應力和振動應力，即具有兩個試驗因素，按照正交試驗來進行時共計需要完成16次試驗。

對于本文研究的內容來說，假定電連接器加速壽命試驗的溫度應力和振動應力的水平數都為4個，則可以選用均勻設計表來進行試驗，如表3所示。

表3 均勻設計表

4 結束語

本文以電連接器為研究對象，通過總結、歸納汽車電連接器在實際使用和試驗時所發生的失效形式，基于此分析了汽車電連接器的失效機理及失效物理模型，根據失效機理及其結構特征、失效物理模型，并借鑒前期已有的研究成果，引出汽車電連接器的失效物理方程，確定了汽車電連接器壽命模型。結合汽車電連接器使用環境的特點，采用溫度-振動綜合應力方法完成汽車電連接器加速壽命方案設計。